Explosión contenida en las profundidades de un cristal: ¿cómo funcionaría?

La energía es un concepto extraño. Según las leyes de la física actualmente conocidas, la energía no puede crearse ni destruirse. Sin embargo, la energía "útil" puede destruirse reduciéndola a energía térmica. La energía térmica no es diferente de cualquier otra forma de energía, excepto que está tan desestructurada que tiende a comportarse de manera estadísticamente aburrida. Para que su historia sea interesante, primero vamos a tener que profundizar un poco en la física. Tengan paciencia conmigo.

Cuando comenzamos a observar las bombas, es importante comprender la estabilidad y la metaestabilidad. Un material es "estable" cuando su energía está en su punto más bajo. Una roca es bastante "estable" según esta definición. Podemos contrastar esto con un material inestable, que se encuentra en un estado de energía elevado. La llama que arde alrededor de una vela es inestable. Debe caer constantemente hacia un estado de menor energía, y si quiere permanecer por un largo período de tiempo, debe encontrar una fuente de combustible. En el caso de una vela, esta fuente de combustible es la cera vaporizada emitida por la mecha. Mientras haya cera para quemar, la llama puede permanecer. Sin embargo, una vez que no hay más combustible, se apaga solo.

La metaestabilidad es un extraño híbrido de los dos. Un compuesto metaestable es mayormente estable, pero puede ser empujado a un régimen inestable. Considere una taza en una mesa al lado de su felino favorito. La copa es bastante estable. No va a ninguna parte; la mesa es plana y sólida. Sin embargo, si el gato simplemente empuja el vaso en la dirección equivocada (y ellos solo lo empujan a él en la dirección equivocada), el vaso se volverá inestable, se caerá al suelo y se romperá.

Los explosivos son así. Son metaestables. Están diseñados para ser muy estables mientras se trabaja con ellos y permanecen estables hasta que un iniciador los activa. En ese momento, se vuelven inestables y... bueno... explotan.

Entonces, con esos términos científicos cubiertos, volvamos a su historia. es _razonable contener una explosión dentro de un contenedor. En una de las recientes pruebas nucleares realizadas por Corea del Norte, contuvieron su bomba bajo tierra. No hay aumentos exponenciales de potencia ni nada por el estilo. Estar contenido simplemente significa que el contenedor tiene que disipar la energía. El suelo es muy bueno en... bueno... no se mueve mucho. Contuvo felizmente esa explosión nuclear. Por supuesto, la energía tiene que ir a alguna parte. Parte de eso se destinó a calentar el suelo localmente. Otras porciones de la energía se convirtieron en ondas sísmicas que resonaron en todo el mundo. Esto fue en realidad lo que el mundo occidental usó para validar las afirmaciones de Corea del Norte sobre la prueba. ¡Observamos las ondas sísmicas y las comparamos con lo que esperábamos ver dados los datos anunciados!

Ahora bien, hay algo interesante acerca de estas dos formas de disipar energía. La energía térmica es muy aleatoria y, por lo general, no está controlada. La naturaleza de la energía sísmica, por otro lado, está altamente estructurada. Está lo suficientemente estructurado como para que podamos detectarlo en el otro lado del mundo y hacer inferencias. Su estructura se basa en los materiales de la tierra. Algunas frecuencias se traducen bien de forma natural y otras no. Por ejemplo, las frecuencias típicamente altas se atenúan rápidamente y las frecuencias más bajas no. Es por eso que cerrar la puerta a la música fuerte de tu hermano borra las partes altas, pero el bajo retumba a través de la puerta. Su puerta está transmitiendo los sonidos de baja frecuencia, pero está convirtiendo los sonidos de alta frecuencia en calor. (Simplemente no notas el calor porque es pequeñoen el caso de la energía de audio... pero ahí está).

Ahora, una solución es hacer que el cristal simplemente convierta todo en calor. Esto es fácil, porque la bomba ya quiere calentar las cosas. No tienes que hacer nada especial. Todo lo que tiene que hacer es tener la integridad estructural para no explotar bajo las intensas presiones estilo bomba casera que generará la bomba. Una vez que haya terminado de sostener la bomba, tendrá una superficie interna muy caliente. Ese calor luego se propagará hacia la superficie exterior. El cristal puede simplemente "enfriarse" por un tiempo, disipando toda esa energía térmica.

¿Con cuánta energía térmica tendrá que lidiar? Resulta que no mucho. Como señalé en los comentarios, las bombas no dependen de cantidades masivas de energía. Dependen de impulsos repentinos localizados. El sol pone mucha más energía en la tierra cada segundo de la que emitiría tu asesino de ciudades. Para un punto de datos de la vida real, me encanta ir a la página de Wikipedia Órdenes de Magnitud (Energía) y encontrar coincidencias interesantes. Coincidencia de hoy: Little Boy (la bomba que lanzamos sobre Hiroshima) salió$6.3\cdot 10^{13}J$. ¡Esa es la cantidad de energía solar que cae sobre Costa Rica en un solo segundo! ¡La cantidad de energía en este tipo de armas no es nada en comparación con lo que nuestro planeta experimenta todos los días del sol!

Ahora bien, este no es exactamente el efecto de cristal resonante que está buscando. Si hiciéramos todo con energía térmica, su cristal terminaría con su trabajo en días (semanas como máximo), y una vez hecho con unos pocos segundos de trabajo, todos podríamos estar bastante seguros de que el riesgo ha terminado. Quieres un poco más de emoción. Para eso, necesitaremos aprovechar la energía del arma, similar a las ondas sísmicas a través de la tierra.

La gran diferencia entre este caso y el caso térmico es que, en este caso, queremos capturar toda esa energía como energía potencial. Eventualmente, queremos volver a emitir esa energía lentamente para disiparla. Piense en su metal de cristal como un diapasón. La bomba le da un golpe muy, muy fuerte. Responde elásticamente y luego regresa a un estado de vibración que usamos para afinar un piano. En este caso, gran parte de la energía de la explosión original permanece reprimida dentro de la estructura de su cristal/diapasón. Si quieres ver cuánta energía hay en uno de esos diapasones, dale un golpe y luego sosténlo hasta los dientes. ¡Al igual que su cristal, los diapasones tienen mucha energía que no desea que vaya en las direcciones equivocadas!

Ahora, en un entorno realista, la energía se disipa. Sería muy ruidoso, pero factible. Probablemente querrá estructurar el metal de cristal de manera que el exterior sea un "nodo" para el sonido, lo que significa que ninguna parte de la energía se escapa. En este caso, simplemente encontrará que el metal de cristal se flexiona hacia adelante y hacia atrás hasta que ese movimiento eventualmente convierte toda la energía en calor (como antes). Esto está cada vez más cerca, pero todavía no tenemos demasiada emoción. Nuevamente, sería bastante fácil disipar la mayor parte de la energía lo suficientemente rápido como para ser aburrido. Necesitamos algo para hacerlo más interesante.

¿Qué pasaría si el arma que se disparó fuera un arma nueva y hubiera una necesidad apremiante de comprenderla mejor? En tal caso, habría un fuerte deseo de no destruir ninguna información que tenga sobre el arma, y ​​convertir la energía significativa en energía térmica destruye la información. Puede haber un deseo de mantener intencionalmente toda la energía reprimida. En tal caso, su metal de cristal mágico podría tratar de retener la mayor cantidad de información de la explosión sin destruir nada. Naturalmente, esto requeriría mantener toda esa energía reprimida mientras los poderes deciden qué hacer con ella.

¿Recuerdas el tema anterior de la metaestabilidad? Tu cristal acaba de volverse metaestable. En teoría, está conteniendo perfectamente la energía de la explosión dentro de su estructura. Sin embargo, si se maneja mal, puede dejar de ser capaz de contener esa energía y liberarla como si fuera un explosivo en sí mismo.

En este caso, la destrucción del metal de cristal nunca superaría la explosión original, pero mantendría la amenaza acechando mientras tu metal mágico pueda evitar convertir esas ondas de sonido en calor. Alentaría el "cuidado y la alimentación" para ayudarlo a mantener los efectos en constante cambio.

Ahora bien, ¿cómo funciona una explosión? Tiene principalmente 2 cimientos:

1. liberación de energía térmica mediante la destrucción de enlaces covalentes
2. cambiar el estado del explosivo sólido a gas en expansión

Como hace ambas cosas, el resultado es una onda de choque, que a su vez es lo que destruye los elementos.

Cort Ammon explicó muy bien la física básica detrás de los objetos estables, inestables y metaestables , pero no investigó demasiado la parte del gas.

Termodinámica de explosiones

Ahora, tomemos nuestro compuesto metaestable, por ejemplo, 2-metil-1,3,5-trinitrobenceno . Conocemos muy bien el comportamiento de este cuando se vuelve inestable, y sabemos bastante bien que produce un " volumen de gas estándar " de$975 \frac l{kg}$. Entonces, si solo convertimos 1 kg de TNT en gas en condiciones estándar (20 ° C, 1 atm, V = 22.5 l / mol), la fórmula del gas$pV=nRT$nos dará un V de 975 litros, o al revés, el número correcto de moléculas n.

Ahora bien, nuestro TNT no se gasifica en un instante, tampoco lo hace a 20°C, algo tiene que pasar: antes que nada, la reacción toma tiempo y comienza en alguna parte. Entonces el bloque "se quema" con una velocidad de$6900 \frac ms$desde nuestro detonador inicial hasta los bordes, por lo que se termina en una fracción de segundo realmente pequeña. Al hacerlo, libera mucho calor.$(3725 - 3612 \frac{kJ}{kg})$y la cantidad conocida de moléculas de gas n (que no es un número que sea realmente bueno de manejar, dejémoslo así).

Ahora, tenemos nuestra fórmula anterior, conocemos el volumen y la presión de la condición estándar, por lo que podemos volver a calcular con nuestro n conocido... Obviamente nos topamos con un factor que no es el mismo que antes: T aka la temperatura ha aumentado en esos más de 3600 kJ para 1 kg. Ahora tenemos una temperatura de al menos 300°C y tal vez mucho más, por lo que nuestro gas tendrá que hacer algo para compensar el aumento de T ya que n permanecerá igual. El primer paso que da cualquier gas para compensar el aumento de temperatura es siempre el mismo: se expande, aumentando la parte V del término.

Una vez que ya no puede expandirse libremente (porque hay algo como objetos sólidos u otros gases en el camino), comenzará a ponerse a sí mismo y a la 'barrera' bajo presión y aumentará la parte p también (en realidad, comienza de modo que el mismo momento V aumenta, pero no tan rápido como lo hará una vez que golpea un objeto sólido). Esto ejerce presión sobre los objetos que golpea, creando una onda de choque.

Afortunadamente para nosotros, el arte de hacer estallar cosas nos proporciona un indicador de cuán fuerte es esta onda de choque a través de la prueba de Trauzl : TNT crea una cavidad de$30 \frac {cm^3} g$, por lo que nuestro bloque de 1 kg anterior hace una cavidad de 30000 cm³, o unos 30 litros, en un cilindro de plomo similar. Comprimir 975 litros en una cavidad de 30 litros es un factor de 32,5, por lo que tenemos una presión de aproximadamente 32,5 atmósferas.

Ese es nuestro frente de choque: 32,5 atm o 477,6 psi (nuevamente ignorando el factor térmico) al final de la expansión (en el bloque de plomo), y mucho más en algunos de los pasos para llegar allí.

¿Qué nos dice esto acerca de nuestro 'contenedor'?

Estrés en el cristal

Ahora bien, nuestra estructura cristalina no solo tendrá que soportar la energía térmica que antes estaba almacenada en los enlaces covalentes del explosivo, sino que también tendrá que soportar la presión que ejerce sobre ella el gas en expansión. Para hacerlo, nuestra estructura es mejor altamente dúctil, lo que le permite deformarse con la onda de choque en expansión y disminuir el impacto debido a un tiempo de exposición más prolongado: la fuerza siempre es la masa por la aceleración, y la aceleración es el cambio de velocidad con el tiempo. o, como fórmula:$\vec F = m \times \vec a = m \times \frac {\text d \vec v}{\text dt}$. Supongamos que m (masa del cristal) y v (velocidad de la onda de choque) son constantes, luego, al tomar 1 segundo en lugar de 0,1 segundos para interponerse en el camino de la onda de choque, se pondrá solo 1/10 de la tensión sobre el cristal. es mejor que nuestro "cristal" sea maleable hasta cierto punto para aumentar su potencial para contener la explosión al expandirse Piensa en esto como... un globo o un neumático.

Camino de menor resistencia

Ahora, siempre asumimos que nuestro cristal tendría que contener toda la detonación. ¿Qué pasa si solo colocamos la barrera en un lado y mantenemos el cielo abierto arriba o ponemos la detonación entre dos discos de cristal? Ahora nos enfrentamos a efectos muy interesantes: las ondas de choque y los gases en expansión toman el "camino de menor resistencia". En parte, esto se debe a que es mucho "más fácil" aumentar el volumen aplicando presión para expulsar el gas que aplicando presión para sangrar los sólidos, en parte porque al sangrar los sólidos, algunas de las partículas que fueron enviadas contra el sólido se reflejan. El resultado es bastante simple:

Si detona algo contra una superficie sólida y no tiene cuidado de aplicar presión sobre él, obtendrá un fuerte estallido y un poco de tierra quemada. Además, las ondas de choque de detonación no sortean las barreras muy bien (pueden, pero es más difícil). Esto se usa como un truco para crear cargas dirigidas: una barrera fuerte y una barrera débil encierran un explosivo, obligando a la detonación a deformar la barrera débil (generalmente cobre) y convertirla en un filo.

Solución

Si la bomba no contiene materiales nocivos para la ciudad debajo de ella (dispositivos nucleares, bombas sucias, compuestos químicos), el camino a seguir no sería encerrar la bomba por completo, sino encerrar la mitad inferior. Esto dirigirá la onda de choque hacia arriba en un cono plano (o para hacerlo matemáticamente correcto: cono esférico ), minimizará la tensión en el cristal y al mismo tiempo maximizará la protección. Una detonación en el "horizonte" mismo de un reflector de media esfera se expandirá a la media esfera no protegida. Si detona más bajo, la tensión aumenta, pero el cono afectado resultante está mucho más enfocado.

No pienses demasiado en esto:

Básicamente, solo construyes una bomba casera; Una explosión es solo una liberación repentina de cosas (calor, aire, radiación) en el entorno circundante. Si las "cosas" no pueden escapar, permanecen bajo presión hasta el momento en que falla la contención. Básicamente, acabas de embotellar la explosión, retrasando su efecto.

Esto funcionaría en cualquier cosa que consideremos clásicamente una explosión.

La explosión no sería más fuerte, porque no está agregando ninguna energía adicional, pero potencialmente podría estar más enfocada (por ejemplo, cuando contiene toda la energía de una explosión de combustible aireado (dispersión de un metro de ancho del "combustible" de la explosión) en un unos pocos centímetros, el núcleo de la explosión sería, por supuesto, más enérgico, incluso liberando la misma cantidad de rendimiento explosivo).