Στην περίπτωση των ηχητικών κυμάτων μικρής έντασης, η πίεση και η πυκνότητα του μέσου παραμένουν ουσιαστικά σταθερές σε όλη τη διαδικασία. Έτσι, όλα τα μέρη του ηχητικού κύματος διαδίδονται με την ίδια ταχύτητα, με αποτέλεσμα το ημιτονοειδές κύμα να διατηρεί τη μορφή του κατά τη διάδοση του.

Αντιθέτως, στα κρουστικά κύματα (shock waves) δεν μπορεί πια να θεωρείται ότι η πίεση και η πυκνότητα παραμένουν σταθερές. Πράγματι, στην κορυφή ενός ισχυρού κρουστικού κύματος η πίεση μπορεί να είναι πολλές χιλιάδες ατμόσφαιρες και η πυκνότητα σημαντικά αυξημένη. Κάτω από τέτοιες συνθήκες η ταχύτητα δεν είναι πια αυτή του ηχητικού κύματος. Πρακτικά, όσο η πίεση ή η πυκνότητα αυξάνονται, η συμπιεστότητα μειώνεται, έτσι που η ταχύτητα διάδοσης της διαταραχής αυξάνεται. Εάν θεωρήσουμε ένα ημιτονοειδές ημι-κύμα μεγάλης έντασης που δημιουργείται σε ένα μέσο, τότε η ταχύτητα διάδοσης της κορυφής του κύματος, όπου το υλικό έχει υψηλή πυκνότητα, είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του μετώπου του κύματος, όπου το υλικό βρίσκεται σχεδόν στην αρχική του κατάσταση. Έτσι, η κορυφή προλαβαίνει το μέτωπο και το σχήμα του κύματος αλλάζει (Σχ. 2.1), μέχρι που τελικά η μορφή του κύματος γίνεται ένα ξαφνικό και ασυνεχές πήδημα σε υψηλή πίεση που ακολουθείται από βαθμιαία πτώση.

Σχήμα 2.1: Ανάπτυξη ενός κρουστικού κύματος.

Αυτή είναι η χαρακτηριστική και αναπόφευκτη μορφή ενός κρουστικού κύματος σε ένα αδρανές μέσο. Όσο η διάδοση συνεχίζεται, οι απώλειες μειώνουν βαθμιαία την πίεση κορυφής μέχρι που τελικά το κρουστικά κύμα να καταλήξει σε ένα συνηθισμένο ηχητικό κύμα. Όταν όμως αυτό το κρουστικό κύμα διαδίδεται μέσα σε μια εκρηκτική ύλη, υποστηρίζεται και ενισχύεται από τη χημική αντίδράση σε ταχύτητες που φθάνουν τα 9 km/s, ανάλογα με τη χημική και φυσική κατάσταση της εκρηκτικής ύλης.

Η αντίδραση αρχίζει ως αργή καύση, αλλά γρήγορα επιταχύνεται, περνάει το στάδιο της κατάκαυσης και τελικά μεταπίπτει σε κατάρρηξη, ιδιαίτερα στα αέρια εκρηκτικά, με διαδοχικές αυξομειώσεις. Σε μερικές περιπτώσεις αυτή η πολύπλοκη διαδικασία μπορεί να απαιτήσει μόνο λίγες εκατοντάδες χιλιοστοδευτερόλε-πτα. Σε άλλες περιπτώσεις οι προκαταρκτικές αντιδράσεις μπορεί να χρειαστούν περισσότερο χρόνο.

Άσχετα με την περίοδο μετάπτωσης όμως, η διαδοχή των γεγονότων είναι προφανώς η ίδια σε όλες τις διαδικασίες εκρήξεων. Συνήθως, αλλά όχι πάντοτε, όταν εκρήγνυται ένα δευτερογενές εκρηκτικό χωρίς πυροκροτητή, ο ρυθμός ανάπτυξης της εκρηκτικής αντίδρασης και η μετάπτωση προς κατάρρηξη είναι πολύ βραδύτερος και μπορεί να μεσολαβήσουν μερικές ώρες από την ανάφλεξη μέχρι την κατάρρηξη (π.χ. οι εκρήξεις νιτρικού αμμωνίου στο Texas City, Brest και Μαύρη θάλασσα το 1947). Αυτό δείχνει ότι πιθανώς όλα τα δευτερογενή εκρηκτικά μπορούν σε σημαντικά μεγάλες ποσότητες να καταλήξουν τελικά από τη φάση της ανάφλεξης στην κατάρρηξη.

Τα ασθενή εκρηκτικά, διεγείρονται με φλόγα, σπινθήρα ή όμοια πρωτογενή μέσα. Η κύρια διαφορά μεταξύ αυτών και των πρωτογενών εκρηκτικών είναι ότι δεν υφίστανται συνήθως τη μετάπτωση από κατάκαυση σε κατάρρηξη με συνθήκες συνήθους εφαρμογής. Πολλά προωθητικά όμως, μπορούν να εκραγούν με κατάλληλα μέσα και μερικά απ' αυτά μπορούν ακόμη να εκραγούν όπως τα πρωτογενή εκρηκτικά, δηλαδή με μετάπτωση από κατάκαυση σε κατάρρηξη.

Η κρίσιμη διάμετρος (ή το κρίσιμο πάχος για επίπεδες γομώσεις) είναι η ελάχιστη διάμετρος μιας εκρηκτικής γόμωσης στην οποία αυτοσυντηρείται μία έκρηξη. Αυτό συμβαίνει, επειδή η διάμετρος ή το πάχος, καθορίζει τις ενεργειακές απώλειες από την επιφάνεια. Εάν είναι αρκετά μεγάλη, οι ενεργειακές απώλειες ανά μονάδα επιφάνειας είναι μικρές και ο ρυθμός της συσσώρευσης ενέργειας οδηγεί προς μία πολύ γρήγορη αντίδραση - έκρηξη, με την προϋπόθεση ότι υπάρχει αρκετό υλικό (συσχέτιση με κρίσιμη μάζα) μέχρι το σημείο αυτό. Ο χρόνος που απαιτείται για τη μετάπτωση είναι της τάξης λίγων milliseconds για τα πρωτογενή εκρηκτικά, δεν μπορεί όμως να προβλεφθεί στα δευτερογενή εκρηκτικά και στα ρηκτικά μέσα (βλ. παρακάτω). Είναι φανερό ότι με μια τόσο ασθενή έναυση, όπως είναι η φλόγα, η μετάπτωση θα λάβει χώρα μόνο σε διαμέτρους πολύ μεγαλύτερες από την κρίσιμη. Η δυναμίτιδα για παράδειγμα, μπορεί να καίγεται με ασφάλεια σε πάχη μικρότερα από μία ίντσα, ενώ φορτία νιτρικού αμμωνίου (σε ποσότητες πολύ μεγαλύτερες από τη κρίσιμη μάζα και πάχη πολύ μεγαλύτερα από το κρίσιμο πάχος) έχει συμβεί να καίγονται για αρκετές ώρες πριν από την έκρηξη σε μερικά ατυχήματα.

Ο περιορισμός (confinement) μειώνει δραστικά την κρίσιμη μάζα και την κρίσιμη διάμετρο με παρεμπόδιση των πλευρικών ενεργειακών απωλειών. Προφανώς, όσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός περιορισμού, τόσο ταχύτερη θα είναι η διαδικασία μέχρι την κατάρρηξη. Μέσα περιορισμού μπορεί να είναι τα ξύλινα ή μεταλλικά κιβώτια ενός φορτίου εκρηκτικών, οι τοίχοι μιας αποθήκης ή τα τοιχώματα ενός αντιδραστήρα.

Κρίσιμη πυκνότητα είναι η μέγιστη πυκνότητα ενός εκρηκτικού, στην οποία μπορεί να αυτοσυντηρηθεί μία έκρηξη. Έτσι, μία εκρηκτική γόμωση με πυκνότητα μεγαλύτερη από την κρίσιμη δεν θα εκραγεί ποτέ μετά την ανάφλεξη, αλλά θα καταναλωθεί καιόμενη.

Στην κατηγορία των δευτερογενών εκρηκτικών κατατάσσεται και ένας νέος τύπος ισχυρών εκρηκτικών, που αναπτύχθηκε τις τελευταίες δεκαετίες και που χαρακτηρίζεται από αξιοσημείωτα μειωμένη ευαισθησία σε όλα τα είδη διέγερσης εκτός από το κρουστικό κύμα. Αυτά τα εκρηκτικά είναι γνωστά ως ρηκτικά μέσα και η επινόηση τους προήλθε από μερικές καταστροφικές εκρήξεις υλικών που μέχρι τότε θεωρούνταν ως μη εκρηκτικά υλικά, (εκρήξεις νιτρικού αμμωνίου). Τα ρηκτικά μέσα υποδιαιρούνται περαιτέρω σε ξηρά (π.χ. ANFO) και υγρά ή πολτώδη (slurries) ρηκτικά μέσα με περιεκτικότητα σε νερά 10 - 20%.

1 Συγκρίνατε αυτή την τιμή με τη συνολική ηλεκτροπαραγωγική δυναμικότητα των ΗΠΑ: 30x 10⁹ W

Όπως φαίνεται από τις τιμές της ειδικής ισχύος και του γραμμικού ρυθμού αντίδρασης, σε σχέση με τις τιμές της εκλυόμενης ενέργειας του Πιν. 2.3 τα καταστροφικά αποτελέσματα μιας χημικής έκρηξης καθορίζονται κυρία από το ρυθμό έκλυσης των αερίων προϊόντων και λιγότερο από τη χημική ενέργεια που εκλύεται. Έτσι για παράδειγμα, 1 kg πετρέλαιο εκλύει κατά την καύση του 10.600 kcal, ενώ 1 kg νιτρογλυκερίνη μόνο 1.600 kcal κατά την έκρηξη της, αλλά τα καταστροφικά αποτελέσματα της τελευταίας είναι βεβαίως σημαντικά μεγαλύτερα.

Η επίδραση του ισοζυγίου οξυγόνου είναι σημαντική σε όλες τις εκρηκτικές παραμέτρους. Το ισοζύγιο οξυγόνου έχει σχέση με την αναλογία καυσίμων / οξειδωτικών στο εκρηκτικό. Με τον όρο μηδενικό ισοζύγιο οξυγόνου (zero oxygen balance) νοείται η πλήρης καύση των καυσίμων χωρίς έλλειμμα ή περίσσεια οξυγόνου. Στο σημείο αυτό οι εκρηκτικές παράμετροι, όπως είναι η πίεση, η ταχύτητα και η θερμότητα έκρηξης, παίρνουν συνήθως τις μέγιστες τιμές τους. Η μέγιστη ευαισθησία (sensitivity), επίσης, ενός εκρηκτικού βρίσκεται πάνω ή κοντά στο μηδενικό ισοζύγιο οξυγόνου συνήθως.

Σε εκρήξεις αερίων ή σκόνης, όπου το οξειδωτικό είναι το οξυγόνο του αέρα, στις περισσότερες περιπτώσεις τα όρια αναφλεξιμότητας βρίσκονται εκατέρωθεν του μηδενικού ισοζυγίου οξυγόνου. Είναι φανερό ότι θα λάβει χώρα έκρηξη μόνο σε ομοιογενή συστήματα και εφόσον το καύσιμο βρίσκεται μέσα στα όρια αναφλεξιμότητας. Σε ετερογενή συστήματα ή στα όρια ενός νέφους αερίου (plume) τα πιθανά συμβάντα είναι φωτιά, κατάκαυση ή δημιουργία πυρόσφαιρας (βλ. παρακάτω).

Οι φυσικές εκρήξεις είναι το αποτέλεσμα του ταχύτατου σχηματισμού μεγάλων ποσοτήτων ατμού, που προκαλείται από την επαφή νερού ή άλλου υγρού με μια πολύ θερμή επιφάνεια, όπως λιωμένο μέταλλο, λάβα ή καυτό λάδι.

Φυσικές εκρήξεις συμβαίνουν στα διυλιστήρια και σε χημικές εγκαταστάσεις, ιδιαίτερα κατά το ξεκίνημα των αποστακτικών στηλών που λειτουργούν υπό κενό, όταν έρχονται σε επαφή θύλακες νερού με καυτά υγρά. Η ζημιά στις περιπτώσεις αυτές μπορεί να περιορισθεί στην καταστροφή μερικών αποστακτικών δίσκων μέσα στη στήλη.

Είναι ακόμη πιθανό να αρχίσει μια φυσική έκρηξη στη διεπιφάνεια μεταξύ νερού και ενός ελαφρού υδρογονάνθρακα, εφόσον το μίγμα στη διεπιφάνεια μπορεί να βράζει σε χαμηλότερη θερμοκρασία από τη θερμοκρασία βρασμού του ενός ή και των δύο υγρών. Η πιο συνηθισμένη περίπτωση φυσικής έκρηξης είναι αυτή της ρίψης νερού σε χύτρες με λάδι που βράζει.

Οι μηχανικές εκρήξεις είναι το αποτέλεσμα της διάρρηξης ενός κλειστού δοχείου υπό πίεση, όπως είναι οι λέβητες, τα πιεστικά δοχεία και οι αεροθάλαμοι. Οι εκρήξεις λεβήτων ήταν αρκετά συχνοί στα μέσα του 19ου αιώνα και οδήγησαν στη θεσμοθέτηση αρκετών κωδίκων πρακτικής, όσον αφορά το σχεδιασμό, την κατασκευή, τη χρήση και τον έλεγχο των ατμολεβητών. Γενικά, για να συμβεί μία μηχανική έκρηξη απαιτείται μια απότομη αύξηση της πίεσης στο εσωτερικά ενός πιεστικού δοχείου. Εάν το πιεστικό δοχείο περιέχει ένα υγρό καύσιμο σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από το σημείο βρασμού του σε 1 atm, είναι πιθανό να συμβούν οι ακόλουθοι διαδοχικοί τύποι εκρήξεων:

• Μία φυσική έκρηξη στο εσωτερικό του δοχείου (π.χ. λόγω της παρουσίας νερού).

• Μία μηχανική έκρηξη (θραύση του δοχείου), λόγω της προηγούμενης αύξησης της πίεσης.

• Μία έκρηξη αερίων με τη διαφυγή ατμού ή σταγονιδίων στον αέρα και τη συνάντηση μιας θερμικής πηγής διέγερσης.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα μηχανικής έκρηξης αποτελεί το φαινόμενο που αποδίδεται με το νεολογισμό Μπλέβη (BLEVE). Ο όρος BLEVE αποτελεί αρκτικόλεξο της φράσης Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion (Έκρηξη Εκτονούμενου Ατμού Ζέοντος Υγρού) και χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη φυσική έκρηξη ενός δοχείου λόγω απότομης εκτόνωσης του υγρού περιεχομένου του υπό μορφή ατμών σε υπέρθερμη κατάσταση. Το αποτέλεσμα είναι η βίαιη ατμοποίηση του υγρού και η δημιουργία κρουστικού κύματος μέσα στη μάζα του υγρού. Στη συνέχεια και εφόσον το υγρό είναι καύσιμο, το φαινόμενο μπορεί να εξελιχθεί στη δημιουργία πυρόσφαιρας. Τέτοια περιστατικά εμφανίζονται συνήθως σε ατμολέβητες μεγάλης πίεσης και σε δεξαμενές αποθήκευσης υγροποιημένων καυσίμων υπό πίεση.

Ένα δοχείο μπορεί να αστοχήσει και να διαρραγεί για διάφορους λόγους: λόγω κατασκευαστικών ατελειών, λόγω ανύψωσης της εσωτερικής πίεσης, λόγω εξωτερικής μηχανικής καταπόνησης, λόγω πρόσκρουσης θραύσματος από γειτονική έκρηξη ή άλλη προέλευση ή λόγω διάβρωσης. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις το δοχείο διαρρηγνύεται απελευθερώνοντας το περιεχόμενο του σε μικρό χρόνο.

'Όταν σε ένα υγρό μεταφέρεται θερμότητα, η θερμοκρασία του αυξάνεται. 'Οταν η θερμοκρασία φτάσει το σημείο βρασμού, το υγρό αρχίζει να σχηματίζει φυσαλίδες ατμού στις ενεργές θέσεις. Αυτές δεν είναι άλλες από τη διεπιφάνεια μεταξύ υγρού και στερεού τοιχώματος στη περίπτωση θερμαινόμενων δοχείων.

Στην οριακή θερμοκρασία υπερθέρμανσης δημιουργούνται αυθόρμητα μικροσκοπικές φυσαλίδες ατμού στο καθαρό υγρό, χωρίς την ύπαρξη όμως συγκεκριμένων πυρήνων βρασμού. Αυτό αποδίδεται σε τυχαίες διακυμάνσεις της μοριακής πυκνότητας στην υγρή φάση, οι οποίες αποτελούν τη γενεσιουργό αιτία της εμφάνισης κενών περιοχών με διαστάσεις τέτοιες, ώστε να δρουν ως φυσαλίδες. Η μετάβαση από τη μια φάση στην άλλη γίνεται, όταν μια φυσαλίδα προερχόμενη από αυτές τις μοριακές διεργασίες αυξηθεί σε μέγεθος τέτοιο, ώστε να βρίσκεται σε ασταθή ισορροπία με το περιβάλλον υγρό (κρίσιμο μέγεθος πυρήνα).

Ο ρυθμός πυρήνωσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία, εξαιτίας της μεταβολής των φυσικών ιδιοτήτων (επιφανειακή τάση, τάση ατμών, πυκνότητα) με τη θερμοκρασία. Αυτή η έντονη εκθετική εξάρτηση εξηγεί την ύπαρξη μιας ανώτατης θερμοκρασίας, πάνω από την οποία ο ρυθμός πυρήνωοης θα είναι πολύ μεγάλος, ενώ κάτω από αυτήν θα είναι αμελητέος. Το θερμοκρασιακό όριο της υπέρθερμης κατάστασης ορίζεται ως η μέση θερμοκρασία του στενού θερμοκρασιακού εύρους, όπου συμβαίνει αυτή η απότομη μεταβολή του ρυθμού πυρήνωσης.

Η μέγιστη θερμοκρασία υπέρθερμης κατάστασης ενός υλικού υπό συγκεκριμένη πίεση, μπορεί να προσδιοριστεί από διαγράμματα πίεσης - όγκου. Η υπέρθερμη υγρή κατάσταση για μια δεδομένη ισόθερμο, παριστάνεται στο Σχ. 2.6 με τη διακεκομμένη γραμμή ξεκινώντας από το σημείο (Vp Pj). Ωστόσο, η υπέρθερμη κατάσταση μπορεί να προκύψει μόνο από εκείνα τα ζεύγη τιμών Ρ και V, για τα οποία η παράγωγος dP/dV σε σταθερή θερμοκρασία μηδενίζεται. Ακολουθώντας την ισόθερμο, παρατηρείται ότι σε μεγαλύτερους όγκους αντιστοιχούν μεγαλύτερες πιέσεις που είναι απαράδεκτο από φυσικής άποψης.

Το θερμοκρασιακό όριο της υπέρθερμης κατάστασης Τ1 συμβαίνει σε πίεση Ρ1. Ο τόπος των σημείων εκείνων που μηδενίζουν τη παράγωγο (dP/dV)Τ ονομάζεται καμπύλη σημείων κάμψης. Το θερμοκρασιακό όριο της υπέρθερμης κατάστασης μπορεί να υπολογιστεί θερμοδυναμικά, αν είναι γνωστή η καταστατική εξίσωση. Είναι γεγονός όμως, ότι δεν υπάρχει ικανοποιητική συσχέτιση μεταξύ θερμοκρασίας, πίεσης και όγκου στην περιοχή του υπέρθερμου υγρού.

Η μπλέβη μπορεί να προκαλέσει εκτεταμένες υλικές ζημιές, όχι μόνο λόγω του κρουστικού κύματος που αναπτύσσει, αλλά και των εκτοξευμένων θραυσμάτων του κελύφους, των οποίων η ορμή είναι τέτοια, ώστε μπορούν να διανύσουν ακόμη και εκατοντάδες μέτρα. Εάν το περιεχόμενο είναι εύφλεκτο, η μπλέβη συνοδεύεται από το σχηματισμό εύφλεκτου μίγματος ατμών και αέρα. Το μίγμα αυτό αναφλέγεται δημιουργώντας πυρόσφαιρα (fireball) σε περιπτώσεις μερικής ανάμιξης με τον αέρα ή (σπανιότερα) εκρήγνυται σε περιπτώσεις πλήρους ανάμιξης. Η πυρόσφαιρα, αν και διαρκεί μερικά δευτερόλεπτα, είναι ικανή να προξενήσει υψηλού βαθμού εγκαύματα σε σημαντική απόσταση, αφού καταλαμβάνει μεγάλο όγκο και εκπέμπει πολύ μεγάλες ποσότητες θερμικής ακτινοβολίας.

2.1.4 Ηλεκτρικές εκρήξεις

Οι ηλεκτρικές εκρήξεις στη βιομηχανία προκύπτουν ως αποτέλεσμα αιφνίδιας μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμότητα, ως αποτέλεσμα της καταστροφής ενός μονωτή. Οι πιο κοινές εκρήξεις αυτού του είδους συμβαίνουν σε χώρους ηλεκτρικών πινάκων, σε περιπτώσεις όπου γίνεται κάποια εργασία ενώ ορισμένα κυκλώματα είναι ανοικτά. Ο αέρας τότε παύει να λειτουργεί ως μονωτής, ιονίζεται και γίνεται αγώγιμος. Μία ηλεκτρική έκρηξη λοιπόν δεν είναι τίποτε περισσότερο από ένας πολύ μεγάλος σπινθήρας ή ένα σύνολο σπινθήρων, που στη φύση εμφανίζεται ως κεραυνός.

2.1.5 Πυρηνικές εκρήξεις

Η ενέργεια των πυρηνικών εκρήξεων προέρχεται από τη σχάση ή σύντηξη ατομικών πυρήνων. Μία πυρηνική σχάση προκύπτει όταν μία ποσότητα σχάσιμου υλικού (π.χ. Ουράνιο 235 ή Πλουτώνιο 239) οδηγείται ξαφνικά σε μία κρίσιμη συνθήκη, Η παραγωγή ενέργειας μπορεί να φθάσει το ισοδύναμο της έκρηξης 100.000 τόνων ΤΝΤ ή ακόμη περισσότερο.

Μία πυρηνική σύντηξη συμβαίνει, όταν ένα ελαφρό στοιχείο, όπως το Τρίτιο, θερμαίνεται σε τόσο υψηλή θερμοκρασία, ώστε ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας από την πυρηνική σύντηξη να ξεπεράσει τις απώλειες θερμότητας. Η αρχικά υψηλή θερμοκρασία που απαιτείται μπορεί να επιτευχθεί με την έκρηξη μιας βόμβας σχάσης ραδιενεργού υλικού. Η παραγωγή ενέργειας μιας βόμβας σύντηξης μπορεί να φθάσει το ισοδύναμο πολλών εκατομμυρίων τόνων ΤΝΤ.