ESPLOSIONE

ESPLOSIONE (dal lat. explosio)

Il rapidissimo spostamento dell'equilibrio fisico o fisico-chimico di un corpo o sistema di corpi che si conclude in un grande aumento del volume iniziale, definisce l'esplosione. Questo fenomeno può essere determinato, in condizioni normali, o dall'instabilità dell'equilibrio o da cause esterne, quali l'evaporazione di un liquido surriscaldato, l'espansione di gas fortemente compressi, l'innalzarsi della temperatura a valori tali da consentire trasformazioni chimiche ad alta velocità di reazione e formazioni d'ingenti quantità di gas. Gli effetti dell'esplosione sono dovuti alla trasformazione in lavoro meccanico (rottura, deformazione, proiezione e propulsione) dell'energia posseduta dai gas.

L'esplosione può rappresentare un fatto d'indole fisica o fisicochimica, per cui gli esplosivi che l'originano si dividono in esplosivi fisici ed esplosivi chimici. I primi attualmente non hanno applicazione, mentre gli altri, che sono numernsissimi e dei quali soltanto sarà trattato, trovano largo impiego sia a scopo militare sia a scopo industriale. Gli esplosivi chimici dànno luogo, in genere, nell'esplosione, a reazioni di decomposizione accompagnate quasi sempre dalla combustione fra ossigeno (ch'essi contengono combinato o libero) e i corpi combustibili messi in libertà o aggiunti.

L'esplosione è caratterizzata da alcuni elementi quantitativi che costituiscono le variabili principali del sistema esplosivo, quali la forza e il potenziale dell'esplosivo, nonché la durata stessa della reazione esplosiva. La forza, corrispondente alla pressione che l'unità di peso dell'esplosivo può sviluppare in un volume unitario, ammettendo che in tali condizioni i gas soddisfino ancora alle leggi dei gas perfetti, e il potenziale, o lavoro massimo che l'unità di peso dell'esplosivo può compiere quando la trasformazione in lavoro dell'energia sviluppata sia completa, dipendono e possono essere calcolati dal volume dei gas e dalla quantità di calore sviluppati nella reazione esplosiva. La durata della reazione esplosiva definita dal tempo necessario per passare dallo stato iniziale allo stato finale del sistema esplosivo, è una funzione della natura, della forma (aspetto geometrico e dimensioni), della densità di caricamento (rapporto fra il peso della carica e il volume della camera di scoppio) e dell'innescamento dell'esplosivo. L'impulso necessario a iniziare la reazione esplosiva (o anche il mezzo a cui si ricorre per elevare la temperatura fino al punto di esplosione) è l'innescamento, che deve essere commisurato alla sensibilità dell'esplosivo e agli effetti che se ne vogliono ottenere e si realizza mediante un urto, uno sfregamento, un mezzo deflagrante o detonante (v. detonanti, capsule; inneschi).

Lo stato finale di un sistema esplosivo è normalmente rappresentato dall'esplosione, nelle due forme diversamente intense di deflagrazione e detonazione; ma può anche essere rappresentato, variando le cause e la rapidità dello spostamento dell'equilibrio, dalla semplice demolizione dell'esplosivo per decomposizione lenta o da una sua combustione tranquilla. Naturalmente questi diversi stati finali cui può pervenire un sistema esplosivo non pretendono di essere definiti da determinati valori della velocità della reazione esplosiva, ma servono a comprendere tutta la gamma dei fenomeni possibili, cosicché non esistono punti netti di transizione fra l'una e l'altra. E le condizioni in cui si produce ciascuno di questi stati finali non solo variano da esplosivo a esplosivo ma variano anche per uno stesso esplosivo, modificando congruamente alcune delle variabili interessanti la velocità della reazione.

La decomposizione lenta ha luogo o per la costituzione molecolare stessa degli esplosivi o per la presenza d'impurezze nocive, o per la variazione delle condizioni ambientali (alcuni eteri nitrici, ad es., retrogradano nel tempo perdendo gruppi nitrici e si dicono perciò chimicamente instabili). La decomposizione lenta può però trasformarsi in esplosione se il calore sviluppato dalla reazione non viene disperso in quantità tale da evitare un innalzamento della temperatura dell'esplosivo.

La combustione normale (detta specificamente combustione all'aria libera) si verifica per alcune sostanze esplosive, anche se in quantitativi non indifferenti, quando se ne provochi nell'aria libera l'accensione. Per altre sostanze esplosive avviene soltanto se sono in quantità limitata, ché altrimenti i gas della combustione, per la vivacità di questa, non avendo il tempo di espandersi fino alla pressione atmosferica, provocano delle sovrapressioni locali che permettono col crescere della temperatura l'accelerarsi della reazione fino a determinare l'esplosione.

La deflagrazione è una combustione molto rapida, ma graduale, che permette l'elevarsi progressivo delle pressioni e un conseguente impiego dell'energia sviluppata come forza propellente. Gli esplosivi che deflagrano, genericamente denominati polveri da guerra o da lancio, vengono adoperati come cariche nelle armi da fuoco in forme e dimensioni ben definite dal calcolo balistico per ogni caso particolare di caricamento.

La detonazione è una forma quasi istantanea di reazione esplosiva dovuta non soltanto a una combustione estremamente rapida, ma bensì al propagarsi di una vibrazione inframolecolare assimilabile, con la dovuta latitudine, al suono e che prende il nome di onda esplosiva. Gli esplosivi che possono detonare si dividono in dirompenti o alti esplosivi, suscettibili anche di non detonare, e in detonanti propriamente detti, che, comunque innescati, detonano sempre.

Perché si compia l'esplosione gli esplosivi vengono generalmente allogati in uno spazio limitato (camera di scoppio), ma suscettibile di diventare infinito (che consenta cioè l'espansione di gas fino alla pressione normale) con l'elevarsi delle pressioni ai valori stabiliti necessarî per compiere il lavoro richiesto. A tale scopo è sufficiente opporre una resistenza più o meno grande alla libera espansione dei gas, resistenza che talora è costituita semplicemente dall'aria e che nelle esperienze in vaso chiuso si fa tale da non poter essere vinta.

Cenni teorici sull'esplosione (Formule di Noble, Abel e di Sarrau). - È fondamentale, per lo studio della dinamica degli esplosivi, conoscere la pressione che esercitano i gas che si sviluppano durante un'esplosione. Vi è una formula che fa conoscere la pressione 1nassima sviluppata dalla esplosione di una data quantità di esplosivo in un recipiente chiuso, ed è quella di Noble e Abel, che può chiamarsi la prima equazione fondamentale della balistica interna.

Se P è la pressione massima in kg. per cmq., Δ la densità di caricamento (ossia il rapporto tra il peso della carica di esplosivo in kg. e il volume del recipiente chiuso espresso in dmc.), si ha:

in cui f e η sono due costanti numeriche dipendenti dalla natura della sostanza esplosiva impiegata: f è la forza dell'esplosivo e rappresenta la pressione massima sviluppata quando l'unità di peso della sostanza esplode in un volume libero uguale a 1 + η; η, nell'interpretazione di Noble, era il volume occupato dai residui allo stato solido della polvere considerata.

La formula di Noble e Abel ottenuta sperimentalmente può anche dedursi da condizioni teoretiche. I gas prodotti in una esplosione, trovandosi a pressioni e temperature molto elevate, non seguono la legge dei gas perfetti; essi sono una miscela di gas reali ai quali occorre applicare la formula di Clausius-Sarrau:

Nelle condizioni dell'esplosione con gas a temperature molto elevate e occupanti volumi relativamente piccoli, il secondo termine dell'equazione può trascurarsi e si giunge così all'equazione caratteristica di Sarrau:

dove la costante α, che si chiama covolume, indica il minimo volume a cui può essere ridotta l'unità di peso del gas sviluppato nell'esplosione quando la pressione cresca indefinitamente. Dalla determinazione del covolume dei varî gas, il Sarrau trova che il rapporto

dove V₀ è il volume ridotto a 0⁰ e 760 mm., è in tutti i casi vicino a

così che si può ammettere

Dall'equazione di Sarrau si giunge, con semplici trasformazioni, a quella di Noble e Abel, dando al termine η della prima formula il significato di covolume dei prodotti dell'esplosione della sostanza impiegata.

Dall'equazione di Noble e Abel si rileva che la pnssione, per una determinata sostanza, va crescendo col crescere della densità di caricamento fino a diventare teoricamente infinita per il valore di

Questo valore viene chiamato densità di caricamento limite e lo ritroveremo parlando dell'onda esplosiva. Per

saremo, in linea teorica, nel caso di poter ottenere pressioni infinite o negative. Questa deduzione non corrisponde al fatto reale. Si è però verificato che alcune sostanze, quali ad es., la dinamite, compresse in recipienti chiusi in modo da acquistare densità superiore a un certo limite, non esplodono più.

Bisogna inoltre por mente al valore approssimato dell'equazione

e anche al fatto che la reazione esplosiva varia in funzione della pressione e tende a modificarsi dando luogo a minori volumi di gas e a maggiori quantità di calore, a mano a mano che la pressione aumenta. Quando l'esplosione avviene, indica che i prodotti della reazione sono tali che il valore reale del covolume è

Oltre il coefficiente f, o forza dell'esplosivo, che ha importanza continua nel calcolo della balistica interna, è da ricordare il potenziale dell'esplosivo. L'energia potenziale di un esplosivo rappresenta il lavoro massimo che può fornire l'unità di peso della sostanza, quando si ammetta che i prodotti dell'esplosione si espandano fino a 15° di tempentura e a 760 mm. di pressione. Essa è espressa dall'equivalente meccanico del calore che sviluppa l'unità di peso della sostanza esplosiva. Questo equivalente (potenziale dell'esplosivo) è dato dal prodotto P = E Q, in cui E è l'equivalente meccanico del calore e Q il calore svolto dall'unità di peso dell'esplosivo a volume costante Q = C_v/M.

Nelle applicazioni pratiche non si può utilizzare tutta l'energia così calcolata a causa delle dispersioni. Nelle bocche da fuoco, p. es., il calore trasformato in lavoro utile supera difficilmente il 25 ÷ 30%.

Prodotto caratteristico di un esplosivo. - È il prodotto V₀ T (volume specifico a 0⁰ 760 mm. moltiplicato per la temperatura di esplosione) che fu dal Berthelot proposto come indice di un esplosivo a sviluppare energia e preso come termine di confronto fra gli esplosivi stessi.

Calore di esplosione. - Il calcolo della quantità di calore sviluppata nell'esplosione si può eseguire conoscendo i prodotti della reazione, appoggiandosi al noto principio di Hess: "La quantità di calore sviluppata nella trasformazione chimica di un sistema dipende solo dallo stato iniziale e finale del sistema, è indipendente dagli stati intermedî, ed è uguale alla differenza dei calori di formazione iniziale e finale". Ossia, se C₁ e C₂ sono rispettivamente i calori di formazione della sostanza esplosiva e dei prodotti di decomposizione, il calore di esplosione è uguale a C₂ − C₁. Se M è il peso molecolare del composto, il termine (C₂ − C₁)/M = Q_p, dà il calore svolto dall'unità di peso dell'esplosivo; riferendolo al peso molecolare si ottiene il calore di esplosione molecolare Qmp.

Col calcolo di cui sopra si ottiene solo il calore molecolare a pressione costante. Ove si voglia quello a volume costante occorre accrescere il precedente di un termine che rappresenta il calore equivalente al lavoro speso per vincere la pressione atmosferica che si oppone all'espansione, ossia Q_v = Q_p, + AL, in cui A è l'equivalente in calore del lavoro; il lavoro L è uguale a P₀ (V − v) in cui V è il volume finale dei gas e v quello iniziale dell'esplosivo. Trascurando v di fronte a V, si ha L = P₀V. Se m₁ − m₂,... sono i pesi molecolari dei varî gas d'esplosione, v₀₁, v₀₂,... i volumi specifidi detti gas a 0⁰ e 760 mm., n₁, n₂,... i numeri delle molecole di ogni gas, allora

Ma per la legge di Avoeadro mv₀₁ = mv₀₂ = ecc. = 22,3 = h, quindi V = hΣn (i + at) = hΣn, trascurando il termine in t. E quindi Q_mv = Q_mp + Ap₀hΣn = Q_mp + o,542 Σn, essendo Q_mv e Q_mp riferiti al peso molecolare espresso in grammi. Il valore o,542 Σn non è rilevante; praticamente si può assumere Q_mp per Q_mv, e quindi Q_p per Q_v senza troppo sensibili errori.

Temperatura di esplosione. - È un dato importante soprattutto per la valutazione del potere erosivo nelle bocche da fuoco. Per calcolarla consideriamo il caso di un'esplosione in vaso chiuso, senza lavoro esterno, cosi che tutto il ealore svolto va impiegato a elevare la temperatura dei prodotti. Se c_v e c_p sono i calori specifici a volume e a pressione costante di un gas, fra essi esiste la relazione mc_p − mc_v = AR = 2, dove A è l'equivalente termico del lavoro e R la costante caratteristica dell'equazione dei gas perfetti.

I prodotti mc_p e mc_v sono i calorici specifici molecolari a pressioue e volume costante. I calori specifici non sono costanti per uno stesso gas, a temperature crescenti. Mallard e H.-L. Le Chatelier hanno determinato la legge che lega il calore specifico assoluto molecolare alla temperatura mc_v = a + bt, dove a è il calore specifico molecolare a o⁰.

Dalle esperienze risulta:

(unità il grammo e la piccola caloria).

Per una variazione dt di temperatura, il calore molecolare di un corpo varia di dq = mc_vdt = (a + bt) dt. Fra 0⁰ e t⁰ varia allora di:

Sia il peso dell'esplosivo eguale al peso molecolare M, e siano n₁, n₂, n₃... il numero di molecole dei composti di decomposizione con le caratteristiche a₁b₁, o₂b₂, ecc., di Mallard e Le Chatelier. Se Q_m è il calore svolto dal peso M di esplosivo, e t la temperatura d'esplosione, si può scrivere:

e ponendo:

da cui:

(la radice negativa è scartata). Con questo calcolo si ottengono, ad es.:

Le reazioni esplosive. - Sono caratterizzate dal rapidissimo sviluppo di gas ad alta temperatura, e nella loro grande maggioranza sono da intendersi come combustioni che avvengono fra ossigeno - che è il comburente generale - e gli elementi combustibili contenuti nelle sostanze di cui si compone l'esplosivo. Anche gli alogeni, lo zolfo e persino l'azoto possono comportarsi da carburanti in confronto a elementi elettronegativi. Vi sono però reazioni esplosive dovute alla decomposizione brusca nei proprî elementi - senza intervento di ossigeno - di composti fortemente endotermici, sul tipo di alcuni acetiluri, gli azoturi di rame e argento. Queste reazioni sono proprie dei detonanti tipici.

Le reazioni esplosive a combustione, dove l'ossigeno è il comburente, sono a combustione completa o no a seconda che l'ossigeno è in quantità sufficiente a ossidare, al massimo, i composti combustibili che sono in presenza di esso. La nitroglicerina, che è sostanza a ossidazione completa, con eccesso di O dà luogo alla seguente reazione esplosiva:

Questa reazione limite corrisponde al massimo effetto termico. Un esempio di reazione esplosiva in difetto di ossigeno è dato dal trinitrotoluene:

Supponiamo di voler calcolare i prodotti di decomposizione di un miscuglio di due composti chimici esplosivi quaternarî (composti di C, H, O, N) e sia C_zH_qO_rN_s + mC_p H_q′O_r′N_s′ il miscuglio in esame.

I prodotti gassosi che si formano sono CO₂, CO, H₂O, H₂, N₂ (talvolta anche CH₄): quindi il secondo membro dell'uguaglianza è da esprimersi con:

Intanto:

Fra i coefficienti a, b, c, d, che sono le incognite del problema, e i coefficienti dei costituenti p, q, ecc. devono sussistere le uguaglianze:

Con tre sole relazioni fra quattro incognite il problema è indeterminato. Se però si restringe il caso con la condizione dell'ossidazione completa, allora si annulla CO e H₂, cioè: b = d = 0. Il sistema si riduce a: a = p + mp′; 2 c = q + mq'; 2 a + c = r + mr′.

Rimane quindi determinabile anche m, ossia il rapporto dei due composti nella miscela. Nel caso dell'ossidazione incompleta, essendo noto m, e ponendo: p + mp′ = P, q + mq′ = Q, r + mr′ = R, si può scrivere:

d può variare entro limiti, per cui a, b, c > o.

Questi limiti sono però larghi. L'equilibrio chimico che tende a formarsi in una miscela di CO₂, CO, H₂O, H₂ non è esattamente determinabile. Haber ha sperimentalmente, e fino a temperature di 1600°, trovato che il rapporto:

detto costante dell'equilibrio chimico, ha un valore determinato per ogni temperatura e crescente con la temperatura stessa. Per t = 1600°, K = 4,24.

La composizione finale dei gas di decomposizione è sempre da determinarsi per vi- sperimentale. In linea di fatto si è trovato che quando la densità di caricamento aumenta, crescono CO₂ e H₂ e diminuiscono invece CO e H₂O: aumenta quindi la quantità di calore svolto e quindi di energia, ma tende a diminuire il volume dei prodotti gassosi, limitando l'incremento energetico. A pressioni elevatissime si formano piccole quantità di metano. Durante lo svolgimento del fenomeno esplosivo possono anche avvenire fenomeni di dissociazione, come:

che crescono con la temperatura e sono ostacolati dall'aumento della pressione. L'analisi chimica non permette che di determinare la fase ultima di equilibrio del sistema gassoso generale nell'esplosione, ma se la reazione è, come quasi sempre avviene, rapida come il raffreddamento, essa segue da vicino la composizione effettiva dei prodotti all'atto dell'esplosione.

Velocità delle reazioni esplosive. - Una delle questioni fondamentali della dinamica-chimica degli esplosivi è di sapere se e quando un sistema chimico, in rottura di equilibrio molecolare, può dar luogo a una reazione esplosiva. Condizione necessaria dal punto di vista termodinamico è che la reazione sia esotermica e caratterizzata dalla produzione di sistemi gassosi, ma bisogna inoltre che la velocità di reazione sia rapidissima. Il fenomeno esplosivo è dunque funzione del tempo in cui si compie, la cui durata lo gradua e caratterizza.

Sia dm la variazione di massa di un corpo in trasformazione nel tempuscolo dt. La velocità di reazione è data dall'equazione:

e l'accelerazione di una reazione a velocità variabile:

Dalla teoria cinetica della legge d'azione delle masse è noto che la velocità di reazione, in un sistema a temperatura e pressione costante, diminuisce a misura che aumenta la massa dei corpi generati dalla reazione. Onde:

Ma se invece varii, crescendo, la temperatura, si ha dv = K′dT, in cui K′ > o.

Abbinando, nel caso generale di una reazione in cui m sia, come T, crescente:

Se la reazione è esotermica, indicando con q le calorie/grammo sviluppate, e con c il calore specifico del sistema, con C il calore ceduto all'esterno, nello spazio di tempo dt:

Introducendo nella (1) per dm il valore precedentemente trovato vdt, e per dT quello conseguente dalla (2)

otteniamo:

ossia:

Considerando, come è il caso pratico, la reazione come adiabatica:

Se

è positivo, si avrà

e la reazione marcia nel senso di una crescente accelerazione, poiché T aumentando per la (2) e con esso dv, il binomio

sarà funzione positiva crescente del tempo

Saremo quindi nell'ambito delle reazioni violente, che se accompagnate da sviluppo di gas, si caratterizzano in esplosive. L'accelerazione crescendo con T, risulta che vi è una temperatura critica a partire dalla quale la reazione diviene esplosiva: tale temperatura segna il punto di infiammazione.

La velocità di reazione aumenta anche in funzione dell'aumento della pressione, e si ammette che di questa sia funzione monomia della forma v = uPⁿ, dove n è un coefficiente sperimentale che può oscillare da 1 a 0,5.

Le leggi della velocità di combustione sono fondamentali per lo studio degli esplosivi da lancio e costituiscono la balistica interna.

L'onda esplosiva e le sue velocità. - La detonazione di un esplosivo è provocata dal forte impulso iniziale dovuto all'innesco, che dà luogo a subitanee pressioni sotto le quali gli strati di materia che primi ricevono l'urto, assumono repentinamente un'elevata temperatura, da cui deriva la reazione esplosiva. I prodotti di questa, sviluppati quasi istantaneamente, dànno luogo a un urto successivo più violento del primo, sopra gli strati contigui, e cosi via via attraverso l'intera massa. A brevissima distanza dal focolare iniziale, la trasformazione chimica violenta si produce sopra una superficie sulla quale sono identiche la forma di decomposizione, le temperature e le pressioni; e questa superficie tende a spostarsi con grande rapidità entro la massa stessa dell'esplosivo. La trasformazione chimica in questo caso si propaga in modo analogo a quello delle onde sonore e sotto forma di un'onda di natura speciale che venne chiamata esplosiva dal Berthelot che primo ebbe a studiarla. La sua velocità è molto superiore a quella della deflagrazione e si conserva costante per tutta la durata del fenomeno poiché mantiene la sua intensità generando sempre nuove energie. Il movimento non è periodico e l'onda cessa sulla superficie che limita la massa dell'esplosivo.

La velocità di propagazione dipende essenzialmente dalla natura chimica della sostanza esplosiva, ed è dell'ordine elevato di migliaia di metri al minuto secondo. L'intensità dell'onda dipende anche dall'intensità dell'innesco, variando il quale si possono avere effetti più o meno intensi da uno stesso esplosivo. Al termine della superficie dell'esplosivo l'onda agisce sopra il mezzo fisico che lo circonda generando un'onda fisica con intensità decrescente, che dà luogo a sua volta a effetti di varia specie nel mezzo circostante.

La distanza minima in metri cui si può trasmettere una detonazione per influenza dell'onda esplosiva è data da una formula apposita di Coville d = K √C, in cui C è la carica in kg. dell'esplosivo trasmittente, e K è un coefficiente numerico il quale dipende dal mezzo interposto fra le varie cariche esplosive. Il coefficiente K, nel caso ad es. del fulmicotone secco per trasmissioni nell'aria libera, assume il valore di 0,3 oppure di 1,5 quando il mezzo interposto è l'acqua.

La velocità dell'onda esplosiva si calcola, con determinate ipotesi, applicando la formula generale per la propagazione delle vibrazioni in un mezzo elastico. Si arriva al valore seguente:

in cui y è il rapporto fra i calori specifici a pressione e a volume costante, g l'accelerazione, f la forza.

Il valore di V è crescente per valore crescente di Δ, e diventa teoricamente infinito per Δ = 1/α. Per tutti i valori di Δ maggiori di 1/α, ossia oltrepassando la densità di caricamento limite la detonazione non dovrebbe aver luogo (v. sopra).

Diamo alcuni dati di velocità dell'onda esplosiva:

La velocità dell'onda esplosiva si può praticamente determinare sia col cronografo sia col cordone detonante di Dautriche.

Studio sperimentale delle costanti degli esplosivi. - Per il calcolo pratico delle caratteristiche degli esplosivi esistono speciali attrezzature e apparecchi. Per tutto quanto riguarda la parte calorimetrica s'impiegano bombe speciali le quali permettono, dopo il raffreddamento, di raccogliere in appositi gassometri a mercurio i prodotti gassosi dell'esplosione, misurarne il volume e analizzarne la composizione. Nello stesso tempo la bomba permette di misurare la quantità di calore svolta nell'esplosione. Data la grande importanza della densità di caricamento sopia la forma di decomposizione dell'esplosivo si sono, soprattutto per opera di Vieille, adottate speciali bombe manometriche, in cui si possono far avvenire combustioni o detonazioni di esplosivi fino a raggiungere pressioni di 4000 ÷ 6000 atmosfere. A queste bombe vengono adattati speciali congegni per la registrazione della curva della pressione. Bombe analoghe servono a determinare il potere erosivo, dato del massimo interesse per quanto riguarda la durata delle armi da fuoco. Le pressioni, oltre che in apparecchi registratori, vengono misurate dallo schiacciamento di cilindretti di rame (crushers). Sulla taratura di questi cilindretti, e la determinazione delle pressioni in funzione del loro schiacciamento, esiste un'apposita teoria matematica.

Per le esplosioni subacquee v. anche subacquee, armi.

Bibl.: v. esplosivi.