المتفجرات هي مواد تخضع لتفاعل كيميائي سريع، وتنتج الغاز والحرارة والضغط. يمكن لهذه المواد إطلاق كمية كبيرة من الطاقة في وقت قصير جدًا. تُستخدم المتفجرات في مجالات مختلفة لعمليات الهدم الخاضعة للرقابة والتعدين والتطبيقات العسكرية والألعاب النارية. في هذا الدرس، سوف نستكشف مفهوم الطاقة في المتفجرات، وكيف يتم إطلاق هذه الطاقة، والتأثير الذي يمكن أن تحدثه.
قبل الغوص في المتفجرات، من المهم أن نفهم ما هي الطاقة. الطاقة هي القدرة على بذل شغل أو إحداث تغيير. وهي موجودة بأشكال مختلفة، مثل الطاقة الحركية، والطاقة الكامنة، والطاقة الحرارية، والطاقة الكيميائية. تتعامل المتفجرات في المقام الأول مع الطاقة الكيميائية، التي يتم تخزينها في الروابط بين الذرات والجزيئات. عندما يتم كسر هذه الروابط أو تشكيلها، يتم إطلاق الطاقة أو امتصاصها.
تخضع المتفجرات لتفاعل كيميائي سريع يعرف بالتحلل أو الاحتراق. التحلل هو عندما يتحلل مركب واحد إلى مركبات أو عناصر أصغر، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة. ومن ناحية أخرى، يتضمن الاحتراق تفاعل المادة المتفجرة مع الأكسجين، مما يؤدي إلى إنتاج الأكاسيد والحرارة والضغط.
يمكن التعبير عن المعادلة العامة لتفاعل الاحتراق البسيط على النحو التالي:
\( \textrm{وقود} + \textrm{يا}_2 \rightarrow \textrm{شركة}_2 + \textrm{ح}_2\textrm{يا} + \textrm{طاقة} \)يوضح هذا التفاعل كيفية تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود إلى طاقة حرارية (حرارة)، وطاقة ميكانيكية (ضغط)، وتكوين غازات مثل ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء.
المتفجرات المنخفضة: تشتعل هذه المتفجرات، أي أنها تحترق بدلاً من أن تنفجر. تتحرك جبهة رد الفعل خلال المادة المتفجرة بسرعة أقل من سرعة الصوت. تشمل الأمثلة المسحوق الأسود والمسحوق الذي لا يدخن. يتم استخدامها للدفع والألعاب النارية.
- المواد شديدة الانفجار: تنفجر هذه المواد، وتتحرك جبهة التفاعل بسرعة تفوق سرعة الصوت. ينتج عن رد الفعل السريع هذا موجة صدمة. ومن الأمثلة على ذلك مادة تي إن تي، والديناميت، وC-4. يتم استخدامها للهدم والتعدين والأغراض العسكرية.
يتم تحديد إطلاق الطاقة في المتفجرات من خلال تركيبها الكيميائي وسرعة التفاعل الكيميائي. يمكن قياس هذا الإطلاق باستخدام مفهوم كثافة الطاقة أو كمية الطاقة المنطلقة لكل وحدة كتلة أو حجم المادة المتفجرة.
على سبيل المثال، يحتوي TNT (ترينيتروتولوين) على كثافة طاقة تبلغ تقريبًا \(\textrm{4.184 ميجا جول/كجم}\) . وهذا يعني أن كيلوغرامًا واحدًا من مادة تي إن تي يمكنه إطلاق 4.184 ميجا جول من الطاقة عند التفجير. يمكن أن ينتج عن إطلاق الطاقة مجموعة متنوعة من التأثيرات، بما في ذلك توليد الحرارة، وإنتاج موجة انفجارية، ودفع الشظايا.
يؤدي التمدد السريع للغازات الناتجة عن تفجير مادة شديدة الانفجار إلى توليد موجة صدمية عالية الضغط، وهي المسؤولة عن الكثير من الأضرار المرتبطة بالانفجارات.
غالبًا ما يتم قياس القوة الانفجارية باستخدام مفهوم تكافؤ مادة تي إن تي. هذه طريقة لقياس الطاقة المنبعثة من الانفجار من حيث الكتلة المكافئة لمادة تي إن تي التي من شأنها أن تنتج نفس إنتاج الطاقة.
على سبيل المثال، إذا كانت مادة متفجرة لها ما يعادل مادة تي إن تي بمقدار 2 كيلوجرام، فهذا يعني أن المتفجرة تطلق نفس كمية الطاقة التي يطلقها 2 كيلوجرام من مادة تي إن تي عند تفجيرها.
على الرغم من أن القوة التدميرية للمتفجرات قد تكون أول ما يتبادر إلى الذهن، إلا أن لها العديد من التطبيقات حيث يكون إطلاق الطاقة السريع مفيدًا. وفيما يلي بعض الأمثلة على ذلك:
وعلى الرغم من فائدتها، إلا أنه يجب التعامل مع المتفجرات بحذر شديد. ويمكن أن تشكل مخاطر كبيرة على السلامة، بما في ذلك التفجيرات العرضية والمنتجات الثانوية السامة. علاوة على ذلك، فإن الاستخدام غير السليم للمتفجرات يمكن أن يكون له آثار ضارة على البيئة، مثل التلوث الضوضائي، وتلوث الهواء، وتدمير الموائل.
ولذلك، يتم تنظيم تصنيع ونقل وتفجير المتفجرات من خلال بروتوكولات السلامة الصارمة واللوائح البيئية لتقليل المخاطر على البشر والبيئة.
تعتبر المتفجرات أدوات قوية يمكنها، عند استخدامها بشكل مسؤول، أن تخدم مجموعة متنوعة من الأغراض في الصناعة والبناء والترفيه. إن فهم العلم وراء إطلاق الطاقة يمكّننا من تسخير هذه القوة بفعالية وأمان. كما هو الحال مع جميع التقنيات، من المهم الموازنة بين الفوائد والمخاطر لضمان أن استخدامها يساهم بشكل إيجابي في المجتمع والبيئة.
