wybuch

wybuch, eksplozja,

zjawisko gwałtownej zmiany stanu układu, w trakcie której następuje uwolnienie zgromadzonej w układzie energii potencjalnej i jej zamiana na pracę mechaniczną;

czynnikiem wykonującym pracę są gazy lub pary o wysokiej energii obecne w układzie przed wybuchem lub powstające w wyniku przemiany; cechą charakterystyczną wybuchu jest nagły wzrost ciśnienia w otoczeniu i spowodowane nim zniszczenia; centrycznie od miejsca wybuchu, z prędkością naddźwiękową rozchodzi się w ośrodku (grunt, woda, powietrze) fala uderzeniowa; przyczyną wybuchu może być przemiana fizyczna, chemiczna lub jądrowa układu. W wybuchu fizycznym układ ulega tylko zmianom fizycznym, np. rozerwanie butli ze sprężonym gazem, wybuch przegrzanego kotła parowego. Źródłem energii wytwarzanej w wybuchu jądrowym są reakcje rozszczepienia jąder ciężkich atomów, np. uranu, plutonu, lub syntezy lekkich jąder, np. jąder izotopów wodoru — deuteru i trytu; przy wybuchu jądrowym wyzwala się bardzo duża energia (i moc) w czasie rzędu 10^–6 s, w obszarze reakcji jądrowej temperatura wynosi dziesiątki milionów K, a ciśnienie osiąga miliony MPa; przykładami wybuchów jądrowych są eksplozje bomb atomowych, wodorowych oraz tworzenie się gwiazd supernowych (wybuch jądrowy). Przyczyną wybuchu chemicznego jest szybka, egzotermiczna reakcja chemiczna układu, której produktami są gazy i pary o wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Warunki takie mogą wystąpić w wypadku utraty kontroli nad procesami egzotermicznymi, np. polimeryzacji, nitrowania, estryfikacji oraz utleniania; wydzielające się w reagującym układzie ciepło podnosi temperaturę reagentów, co prowadzi do przyspieszenia reakcji chemicznej, czyli szybkości wydzielania ciepła (często do samozapłonu), i w konsekwencji do wzrostu ciśnienia i wybuchu. W mieszaninach gazowych obserwuje się łańcuchowy mechanizm przebiegu reakcji wodoru lub węglowodorów z tlenem prowadzący do wybuchu, polegający na lawinowym wzroście liczby reagujących cząsteczek. Wybuchy będące skutkiem niekontrolowanej egzotermicznej reakcji chemicznej przebiegającej w dużej objętości były przyczyną wielu katastrof przemysłowych (katastrofa ekologiczna).

Inny jest mechanizm rozwoju reakcji chemicznej prowadzącej do wybuchu materiałów wybuchowych. Reakcja chemiczna zapoczątkowana impulsem energetycznym w jednym punkcie (obszarze) układu o temperaturze otoczenia przenosi się samoistnie na sąsiednie warstwy, aż do granic układu, z prędkością liniową równą prędkości fali uderzeniowej (zwykle kilka km/s). Fala uderzeniowa jest inicjatorem bardzo szybkiej egzotermicznej reakcji chemicznej materiału spowodowanej podgrzaniem go do wysokiej temperatury wskutek gwałtownego sprężenia ośrodka na czole fali (skok ciśnienia rzędu 10 GPa, temperatury — kilka tysięcy K, i gęstości). Skok parametrów stanu układu (fala uderzeniowa) przesuwający się w materiale wybuchowym z maksymalną w danych warunkach prędkością wraz z przylegającą do czoła fali uderzeniowej cienką warstwą strefy reakcji chemicznej jest zwany falą detonacyjną. Przejście fali detonacyjnej przez całą objętość materiału wybuchowego nazywa się detonacją. Jest to najbardziej pełna (idealna) forma wybuchu, z maksymalnym wydzieleniem energii i zachodząca z największą mocą, co umożliwia wykonanie największej ilości pracy użytecznej lub zniszczeń w otoczeniu. Energia wyzwalana przy wybuchu chemicznym (ciepło wybuchu) wynosi 13,4 MJ/kg dla mieszaniny wodoru i tlenu, dla większości materiałów wybuchowych zawiera się w granicach 4–6 MJ/kg.

Energia wybuchu jest wykorzystywana w górnictwie oraz przy budowie tuneli i dróg do kruszenia twardych skał oraz do formowania, utwardzania, przecinania oraz łączenia metali. Zjawisko wybuchu jest szeroko stosowane do celów militarnych, głównie w amunicji burzącej, kumulacyjnej oraz paliwowo-powietrznej (bomba paliwowo-powietrzna).