这是个非常有意思的问题。大家在小的时候,特别是男同胞们,估计都做过这样的实验,那就是将鞭炮点燃,将其扔进一个瓶子或者铁罐中,然后迅速用盖子将瓶子或铁罐盖上,当鞭炮爆炸以后,我们发现并不会发出在露天环境下那种巨大的响声,随之而来的是瓶子或者铁罐发生移动,同时发出非常沉闷的声响,如果这个时候摸一下容器的外壁,会感觉温度有一点升高。
问题中所做的各种假设,都与我们小时候做的这个实验有异曲同工之妙,巨大的铁球从外面根本看不出来什么变化,我们或许能听到非常沉闷的响声,能看到铁球发生轻微的震动,铁球外面我们摸起来应该有点发热,仅此而已。那么,在铁球的里面,会发生什么样的情况呢?
大家知道,炸药之所以能够发生爆炸,是炸药在受热或者撞击等外界因素的影响下,在非常短的时间内将其内部所蕴含的能量,通过化学反应(或者物理反应,比如核变),以机械能、热能、光能等形式释放出来,而当爆炸所发生的系统与其周围环境之间,产生剧烈的压力差,使爆炸体系内形成的高温高压气体急速地向外释放,从而形成巨大的冲击和破坏效应。
TNT作为一种强度很大的炸药,在工业生产、矿床开采、武器制造等方面有着非常广泛的应用。很多核弹爆炸、甚至小行星撞击地球所产生的能量,人们通常都会折算成TNT当量,之所以这么做,一方面是比较直观,另一方面是由于TNT爆炸可以稳定地输出能量,既可以在空气中引爆,也可以在与外界环境相隔离的情况下发生分解而直接释放能量。
我们估且假设问题中的铁球内部引爆的炸药为TNT,TNT的化学名称为2,4,6-三硝基甲苯,其在爆炸时发生的化学反应,可以分两种情况来表达,一种是在有氧气的环境下:4C6H2CH3(NO2)3+21O2=28CO2+10H2O+6N2;一种是无氧环境下:2C6H2CH3(NO2)3=12CO+5H2+3N2+2C。从上面的反应式可以看出,当只计算反应后的气体情况下,单位质量(1g)的TNT,在完全爆炸后产生的气体体积,两种情况下分别为0.84L和0.L。
所以,假如铁球内的TNT总量为1吨,那么分别释放出来的气体总量为84万升和98.7万升,如果铁球内部的容积起初刚好能够盛放这么多TNT或者仅多一些空间,那么,这些释放出来的气体,将在爆炸之后的一段时间内,对铁球的内壁产生非常高的压力,据估算,1吨的TNT对铁球内部产生的气压大约为1.7万个标准大气压左右。即使爆炸发生之后,由于空间的有限性,这些气体对铁球的压力值虽然会减少一些,但减小幅度很小,在高温褪去之后,在这么高的压力下,所产生的二氧化碳、氮气或者一氧化碳、氢气和氮气,会符合气体液化的临界温度和临界压力条件,因此会被压缩成液体甚至固液相的混合状态。
以上假设当然是理想状态,一般铁球是承受不住如此高的压力的,对于在一个密闭系统内发生的爆炸反应,假如封闭系统所依托的容器材料不过关,或者操作中出现闪失,使高压气体有了可以释放的渠道,哪怕是一个极小的缝隙或者孔洞,都将引起内部压力的极速向外“宣泄”,从而引发严重的后果,这也是目前一些防爆产品,比如防爆罐、防爆毯等都有一个处理爆炸物爆炸当量的上限原因,超过这个上限都有可能造成防爆失败。