Pembakaran, Deflagration dan Detonasi

Detonasi adalah ketika sebuah letupan yang keras dan nyaring terdengar

menyerupai granat atau bom yang meledak. Jika suaranya tidak sekeras yang

dihasilkan oleh ledakan namun durasinya lebih panjang dan terdengar seperti suara

mendesis (suara roket motor), maka efek tersebut dapat digolongkan sebagai

deflagrasi. Dalam banyak kasus, efek-efek ini didahului dan disertai dengan

munculnya api. Namun jika api tidak disertai dengan suara gemuruh dan bangunan

yang ‘meledak’, maka efek tersebut digolongkan sebagai pembakaran. Beberapa

bahan peledak akan membakar relatif lambat (beberapa milimeter atau centimeter per

detik) jika berada di tanah yang salurannya lemah. Laju pembakaran akan meningkat

dan kadang-kadang berkembang menjadi deflagrasi atau ledakan jika bahan-bahan

peledak tersebut dibatasi.

PEMBAKARAN

Pembakaran adalah reaksi kimia yang terjadi antara zat dan oksigen. Reaksi

kimia ini terjadi sangat cepat dan sangat eksotermis, dan biasanya disertai dengan

api. Energi yang dihasilkan selama pembakaran akan menaikkan suhu bahan yang

tidak bereaksi dan meningkatkan laju reaksi. Contoh fenomena ini dapat dilihat

ketika sebatang korek api dinyalakan. Proses awal pada korek api tersebut ada untuk

menciptakan cukup gesekan sehingga sejumlah besar panas dapat dihasilkan. Panas

ini akan menaikkan suhu kepala korek api sehingga reaksi kimia untuk pembakaran

pun dimulai, dan kepala korek api terbakar. Pada saat pembakaran kepala korek api,

panas dihasilkan dan reaktan terbakar di udara disertai dengan nyala api. Jika panas

dikurangi dengan adanya angin bertiup atau dengan kayu dari batang korek api yang

basah, maka api akan padam.

Aspek Fisik dan Kimia dari Pembakaran

Pembakaran merupakan proses yang rumit yang melibatkan banyak langkah

yang bergantung pada properti dari bahan mudah terbakar. Pada suhu rendah,

oksidasi bahan yang mudah terbakar terjadi dengan sangat lambat, tanpa disertai

dengan api. Ketika suhu dinaikkan, seperti misalnya dengan penggunaan panas

eksternal, laju oksidasi meningkat. Jika suhu reaktan dinaikkan melebihi 'suhu

pengapian' bahan tersebut, maka panas yang dihasilkan akan lebih besar dari panas

yang menghilang ke media di sekitarnya, dan nyala api akan terlihat. Jadi, ketika

korek api yang dinyalakan diberi gas butana, suhu gas dinaikkan ke titik pengapian,

dan api muncul.

Pembakaran Bahan Peledak dan Propelan

Proses pembakaran propelan dan bahan peledak dapat didefinisikan sebagai

reaksi oksidasi mandiri, eksotermism dan cepat. Propelan dan bahan peledak akan

membebaskan sejumlah besar gas pada suhu tinggi selama pembakaran dan akan

mempertahankan proses tanpa adanya oksigen di atmosfer sekitarnya. Propelan dan

bahan peledak mengandung senyawa oksidator dan bahan bakar dalam komposisinya

dan bahan-bahan tersebut digolongkan sebagai bahan yang mudah terbakar.

Komposisi kimia dari propelan dan bahan peledak pada dasarnya adalah sama;

beberapa propelan dapat digunakan sebagai bahan peledak, dan beberapa bahan

peledak dapat digunakan sebagai propelan. Secara umum, propelan menghasilkan

gas pembakaran oleh proses yang menimbulkan deflagrasi, sedangkan bahan peledak

menghasilkan gas-gas pembakaran dengan deflagrasi atau ledakan. Proses

pembakaran propelan biasanya subsonik, sedangkan proses pembakaran bahan

peledak selama peledakan adalah supersonik.

DEFLAGRASI

Sebuah substansi digolongkan sebagai bahan peledak deflagrasi ketika

sejumlah kecil dari substansi tersebut yang dalam kondisi tidak terbatasi tiba-tiba

terbakar ketika dikenai api, percikan, kejutan, gesekan atau suhu tinggi. Bahan

peledak deflagrasi membakar lebih cepat dan lebih keras dari bahan mudah terbakar

biasa. Bahan-bahan tersebut terbakar dengan disertai api atau percikan api, atau suara

mendesis dan bising.

Pada inisiasi bahan peledak deflagrasi, 'hotspot' yang terbatas dikembangkan,

baik melalui gesekan antara partikel padat, dengan kompresi rongga atau gelembung

dalam komponen cairan, atau dengan aliran plastik dari material. Hal ini

menghasilkan panas dan intermediet stabil yang kemudian mengalami reaksi yang

sangat eksotermik dalam fase gas. Seluruh proses ini menciptakan energi dan panas

lebih untuk memulai dekomposisi dan penguapan permukaan yang baru terpapar.

Bersamaan dengan itu, deflagrasi adalah proses menyebarkan diri.

Laju deflagrasi akan meningkat dengan meningkatnya derajat penahan.

Misalnya, setumpuk bahan peledak yang sangat banyak akan mengandung partikel

yang terbatas. Ketika bahan mengalami deflagrasi, gas yang dihasilkan dari

dekomposisi kristal peledak terjebak dalam tumpukan sehingga meningkatkan

tekanan internal. Hal ini menyebabkan suhu naik dan mengakibatkan peningkatan

laju deflagrasi.

Laju pada permukaan komposisi pembakaran, 'linear laju pembakaran', dapat

dihitung dengan menggunakan persamaan 3.1, yaitu r adalah laju pembakaran linear

dalam mm s-', P adalah tekanan pada permukaan komposisi yang diberikan pada saat

itu juga, β adalah koefisien laju pembakaran dan α adalah indeks laju pembakaran.

r = βPα (3.1)

Koefisien laju pembakaran β tergantung pada unit r dan P, dan indeks laju

pembakaran dapat ditemukan secara eksperimental dengan membakar bahan peledak

pada tekanan yang berbeda P dan mengukur linier terbakar laju r. Nilai α bervariasi dari

0,3 sampai lebih dari 1,0. Kenaikan laju pembakaran linear untuk propelan ketika tidak

terbatas dalam laras senapan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 3.1.

Sebagai contoh, jika laju linear dari pembakaran untuk propelan khusus pada

tekanan atmosfer (9,869 x 10-2 N mm-2) dalam keadaan tidak terbatasi sama dengan 5

mm s-1 dan indeks laju pembakaran adalah 0,528, maka nilai β sama dengan 16.98 mm s-l

(N mm-2)1/0.528 seperti yang ditampilkan dalam persamaan 3.2.

5 = β(9.869 x 10-2)0.528

5(9.869 x10−2) 0.528 =β

16.98 = β (3.2)

Pada pembakaran propelan di dalam laras senapan, tekanan meningkat 4000 kali

dan linear laju pembakaran dinaikkan menjadi 399 mm s-1 seperti yang ditunjukkan pada

Persamaan 3.3:

r = 16.98 x (4000 x 9.869 x 10-2)0.528

r = 399 mm s-l (3.3)

Jika ledakan deflagrasi dimulai dalam keadaan terbatas (benar-benar tertutup

dalam sebuah selubung), gas-gas yang dihasilkan tidak akan dapat melarikan diri.

Tekanan akan meningkat dengan konsekuen yang cepat kemudian akan

meningkatkan laju deflagrasi. Jika laju deflagrasi mencapai nilai 1000-1800 m s-

1(1000-1800 x 103 mm s-1), hal ini digolongkan sebagai ledakan 'low order'. Jika laju

meningkat ke 5000 m s-1 (5000 x 103 mm s-1), detonasi menjadi 'high order'. Oleh

karena itu, pemberian ledakan dapat berperilaku sebagai ledakan deflagrasi ketika

tidak dibatasi, dan sebagai bahan peledak detonasi ketika terbatas dan sesuai.

Pembakaran bahan peledak deflagrasi adalah fenomena permukaan yang

mirip dengan bahan mudah terbakar lainnya, kecuali bahwa bahan peledaknya tidak

membutuhkan pasokan oksigen untuk mempertahankan pembakaran. Jumlah bahan

peledak mudah terbakar pada permukaan dalam satuan waktu tergantung pada luas

permukaan pembakaran permukaan A, massa jenis ρ dan laju ketika ia membakar r.

Massa m dari ledakan yang digunakan dalam satuan waktu dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan 3.4:

m = rAρ (3.4)

Propagasi reaksi ledakan melalui ledakan deflagrasi didasarkan pada reaksi

termal. Bahan peledak di sekitar area ledakan awal dihangatkan di atas suhu

dekomposisinya yang menyebabkannya meledak. Bahan peledak seperti propelan

menunjukkan jenis mekanisme ledakan. Transfer energi dengan cara termal melalui

perbedaan suhu adalah proses yang relatif lambat dan sangat tergantung pada kondisi

eksternal seperti tekanan ambien. Kecepatan proses ledakan pada bahan peledak

deflagrasi selalu subsonik; yaitu prosesnya lebih lambat dari kecepatan suara.

DETONASI

Bahan peledak yang di permulaan menguraikan bidang gelombang kejut

daripada mekanisme termal disebut bahan peledak detonasi. Kecepatan dari

gelombang kejut pada bahan padat atau cair dari bahan peledak tersebut adalah

antara 1500 dan 9000 m s-1, urutan besarnya lebih tinggi dari itu dan digunakan untuk

proses deflagrasi. Laju bahan terurai diatur oleh kecepatan material yang akan

mengirimkan gelombang kejut, bukan oleh laju perpindahan panas. Detonasi dapat

dicapai baik dengan membakar untuk detonasi atau dengan kejutan awal.

Pembakaran untuk Detonasi

Pembakaran untuk detonasi dapat terjadi ketika zat peledak terbatas atau

tertahan dalam sebuah tabung dan dinyalakan di salah satu ujung tabung. Gas yang

dihasilkan dari dekomposisi kimia dari campuran peledak menjadi terperangkap,

mengakibatkan peningkatan tekanan pada permukaannya terbakar; hal ini

meningkatkan laju pembakaran linear. Dalam meledakkan bahan peledak (detonasi),

laju pembakaran linear dinaikkan sangat tinggi oleh tekanan yang dihasilkan pada

permukaan pembakaran yang melebihi kecepatan suara, menghasilkan sebuah

detonasi. Kenaikan linier r laju pembakaran dengan meningkatnya tekanan P untuk

detonasi bahan peledak ditunjukkan pada Gambar 3.1. Nilai untuk r dan P yang

berasal dari Persamaan 3.1.

Nilai untuk indeks laju pembakaran α adalah kurang dari kesatuan untuk

bahan peledak deflagrasi. Nilai ini meningkat melebihi kesatuan untuk meledakkan

bahan peledak [lihat Gambar 3.l (a)] dan dapat meningkatkan lebih lanjut pada

tekanan yang lebih tinggi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.l (b). Bahan

peledak yang meledakan dengan cara ini akan menampilkan penundaan antara

permulaan pembakaran dan timbulnya ledakan seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 3.2.

Penundaan ini akan bervariasi sesuai dengan sifat dari komposisi bahan

peledak, ukuran partikelnya, massa jenis dan kondisi penahan. Prinsip pembakaran

untuk peledakan untuk detonasi digunakan dalam pelambatan sekering dan

peledakan detonator.

Shock Detonasi

Bahan peledak juga dapat diledakkan jika mereka mengalami gelombang

kejut berkecepatan tinggi; metode ini sering digunakan untuk inisiasi peledak

sekunder. Ledakan dari bahan peledak utama akan menghasilkan gelombang kejut

yang akan memulai ledakan sekunder jika berada dalam jarak yang dekat.

Gelombang kejut memaksa partikel untuk menekan, dan ini menimbulkan

pemanasan adiabatik yang meningkatkan suhu di atas suhu dekomposisi bahan

peledak. Kristal peledak mengalami dekomposisi kimia eksotermis yang

mempercepat gelombang kejut tersebut. Jika kecepatan dari gelombang kejut dalam

komposisi bahan peledak melebihi kecepatan suara, peledakan akan berlangsung,

meskipun inisiasi untuk ledakan tidak terjadi seketika penundaan itu diabaikan,

terjadi pada mikrodetik.

Propagasi dari Detonasi Gelombang Kejut

Teori ledakan adalah proses yang sangat rumit yang mengandung banyak

persamaan matematika dan terlalu rumit untuk dibahas di sini. Perhitungan yang

diberikan di bawah ini adalah versi kualitatif sangat disederhanakan untuk

memberikan beberapa pemahaman dasar dari proses peledakan.

Gelombang yang diduga mirip dengan gelombang suara dihasilkan dalam

sebuah kolom yang berisi gas dengan menggerakkan piston ke dalam dan ke luar

seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.3.

Gelombang suara ini mengandung daerah penjernihan dan kompresi. Suhu

materi meningkat di daerah kompresi dan kemudian mendingin karena ekspansi

adiabatik. Dalam suatu komposisi peledak, bagian kompresi dari gelombang menjadi

cukup tinggi dan menyebabkan suhu naik di atas suhu dekomposisi kristal peledak.

Ketika kristal peledak terurai tepat di belakang bidang gelombang, sejumlah besar

panas dan gas dihasilkan. Hal ini menimbulkan tekanan internal yang berkontribusi

terhadap tekanan tinggi di bidang gelombang. Tekanan-tekanan yang tinggi di bidang

gelombang harus dijaga agar bidang gelombang dapat bergerak maju.

Agar bidang gelombang dapat menyebarkan maju (tidak lateral) dan dengan

jarak yang cukup jauh, zat peledak harus dibatasi dalam sebuah tabung atau memiliki

geometri silinder. Jika diameter zat peledak terlalu kecil, distorsi bidang gelombang akan

terjadi, mengurangi kecepatannya kemudian menyebabkan gelombang detonasi

memudar karena hilangnya energi 'sideways' terlalu besar untuk pendukung detonasi.

Akibatnya, diameter bahan peledak harus lebih besar dari nilai kritis tertentu,

karakteristik substansi bahan peledak.

Detonasi sepanjang pelet silinder dari ledakan sekunder dapat disebut sebagai

proses penyebaran diri ketika kompresi aksial dari gelombang kejut merubah keadaan

peledak sehingga reaksi eksotermis berlangsung. Gambar 3.4 menunjukkan diagram

skematik untuk perkembangan bidang gelombang melalui pelet peledak silinder.

Gelombang kejut melintas melalui komposisi bahan peledak yang dipercepat

sepanjang waktu dengan meningkatnya amplitudo hingga mencapai kondisi tetap.

Kondisi tetap adalah ketika energi yang dilepaskan dari reaksi kimia sama dengan (i)

energi yang hilang ke media sekitarnya sebagai panas dan (ii) energi yang digunakan

untuk menekan dan menggantikan kristal peledak. Pada keadaan tetap, kecepatan

gelombang detonasi menjadi supersonik.

Pada saat permulaan yang sesuai dengan bahan peledak cair homogen (seperti

nitrogliserin cair), tekanan, suhu, dan massa jenis akan meningkat untuk membentuk

sebuah bidang gelombang detonasi. Hal ini akan berlangsung dalam interval waktu

dengan urutan besar 10-12s. Reaksi kimia eksotermik untuk dekomposisi nitrogliserin

cair akan berlangsung di bidang gelombang kejut. Gwlombang kejut akan memiliki

ketebalan sekitar 0,2 mm. Hingga akhir bidang gelombang kejut, tekanan akan

menjadi sekitar 220 kbar, suhu akan berada di atas 3000 oC dan massa jenis

nitrogliserin cair akan 30% lebih tinggi dari nilai aslinya.

Pengaruh Massa Jenis pada Kecepatan Detonasi

Untuk bahan peledak heterogen yang biasanya diperjualbelikan, kecepatan

detonasi meningkat dan kemudian menurun ketika massa jenis dari komposisi bahan

peledak meningkat. Pemadatan bahan peledak heterogen membuat transisi dari

deflagrasi ke detonasi sangat sulit.

Untuk bahan peledak homogen yang digunakan untuk militer, kecepatan

detonasi akan meningkat karena kecepatan pemadatan komposisi meningkat seperti

yang ditunjukkan pada Gambar 3.5 dan Tabel 3.1.

Untuk mencapai kecepatan maksimum detonasi untuk ledakan homogen,

perlu untuk mengkonsolidasikan komposisi peledak dan massa jenis maksimum.

Untuk peledak kristal, massa jenis pemadatan akan tergantung pada teknik

konsolidasi (yaitu penekanan, pengecoran, ekstrusi, dll). Massa jenis yang membatasi

akan menjadi massa jenis dari kristal peledak. Kecepatan detonasi dapat dihitung dari

massa jenis komposisi bahan peledak menggunakan Persamaan 3.5,

Vρ1 = Vρ2 + 3500 (ρ1 - ρ2) (3.5)

yaitu Vρ1 dan Vρ2 adalah kecepatan detonasi dari massa jenis ρ1 dan ρ2. Kecepatan

perkiraan peledakan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 3.6,

Vρx = 430 (nTd)1/2 + 3500 (ρx -1) (3.6)

Pengaruh Diameter Komposisi Bahan Peledak

pada Kecepatan Detonasi

Untuk pelet silinder dari suatu komposisi peledak, kecepatan detonasi akan

meningkat bersamaan dengan diameter komposisi peledak yang meningkat hingga

nilai maksimalnya. Detonasi bidang gelombang untuk pelet silinder pada keadaan

tetap adalah tidak datar namun cembung seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.6,

di mana D adalah kecepatan ledakan aksial dan Dt adalah kecepatan ledakan yang

dekat dengan permukaan komposisi.

Dari Gambar 3.6 dapat dilihat bahwa kecepatan detonasi secara bertahap

berkurang dari pusat pelet ke permukaan. Pada pelet besar, efek permukaan tidak

mempengaruhi kecepatan detonasi ke tingkat yang sama seperti untuk pelet

berdiameter kecil. Terdapat nilai yang terbatas pada diameter pelet ketika efek

permukaan menjadi besar dan bidang gelombang tidak akan lagi stabil ‒ hal ini

disebut diameter kritis. Fenomena ini hanya terdapat pada bahan peledak homogen,

yaitu tipe yang biasa digunakan militer. Untuk bahan peledak heterogen yng

diperjualbelikan, kecepatan detonasi meningkat dengan diameter. Alasan adanya

perbedaan sifat komposisi peledak homogen dan heterogen ini disebabkan oleh

mekanisme detonasi. Bahan peledak homogen mengandalkan reaksi intramolekuler

untuk propagasi gelombang kejut, sedangkan bahan peledak heterogen tergantung

pada reaksi antarmolekul yang dikendalikan secara difusi karena bahan peledak

heterogen peka oleh udara, gelembung, void, dll

Pengaruh Bahan Peledak pada Kecepatan Detonasi

Proses peledakan atau detonasi dapat dianggap sebagai gelombang yang

dibawa oleh bidang kejutan, yang meningkat dengan kecepatan konstan D ke dalam

ledakan yang tidak digunakan, dan diikuti oleh zona reaksi kimia seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 3.7.

Gelombang detonasi harus sama dengan jumlah dari kecepatan suara dan

kecepatan dari bahan peledak yang mengalir untuk meneruskan kecepatannya dalam

zona reaksi seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 3.7,

D = U + c (3.7)

yaitu D adalah kecepatan pada kondisi tetap dari bidang gelombang, U adalah

kecepatan partikel mengalir dan c adalah kecepatan gelombang suara. Ketika

kecepatan partikel ledakan sangat rendah, atau U rendah, gelombang kejut akan

lemah dan kecepatannya akan mendekati kecepatan suara. Dengan kondisi tersebut,

detonasi tidak akan berlangsung. Namun, ketika kecepatan dari partikel peledak

tinggi, atau U tinggi, gelombang kejut akan melaju lebih cepat dari kecepatan suara

dan ledakan akan terjadi.

Dengan menerapkan sifat fisik fundamental dari kekekalan massa, energi dan

momentum di seluruh gelombang kejut, bersama dengan persamaan keadaan untuk

komposisi bahan peledak (yang menggambarkan tekanannya, suhu, volume dan

komposisi yang mempengaruhi satu sama lain) dapat ditunjukkan bahwa kecepatan

detonasi ditentukan oleh bahan yang merupakan bahan peledak dan kecepatan dari

bahan tersebut.

Tabel 3.3 Perbandingan efek antara bahan mudah terbakar non-eksplosif dan bahan

peledak deflagrasi dan detonasi

Substansi mudah terbakar non-eksplosif

Substansi bahan peledak deflagrasi

Substansi bahan peledak detonasi

1. Diawali oleh api,percikan, suhu tinggi

Diawali oleh api,percikan api, gesekan, kejutan, suhu tinggi

Sebagian besar bahan peledaknya mampu meledakan jika dimulai dengan benar

2. Tidak dapat dinyalakan dalam keadaan basah

Tidak dapat dinyalakan dalam keadaan basah

Dapat dinyalakan dalam keadaan basah

3. Membutuhkan pasokan eksternal oksigen

Oksigen terbentuk ketika proses berlangsung

Oksigen terbentuk ketika proses berlangsung

4. Terbakar dengan nyala api tanpa adanya suara

Menghasilkan suara panjangdisertai dengan suara mendesis dan api

Terdepat ledakan keras dan tajam, kadang disertai api

5. Terbakar dengan sedikit gas turunan

Gas turunan digunakansebagai pendorong dalampropelan

Turunan dari gelombang kejut digunakan sebahai bahan perusak

6. Laju pembakaranlebih lambat darideflagrasi

Laju pembakaran adalah subsonik

Laju pembakaran adalah supersonik

7. Propagasi berdasarkanpada reaksi termal

Propagasi berdasarkanpada reaksi termal

Propagasi berdasarkanpada gelombang kejut

8. Tingkat pembakaran meningkat berbanding lurus dengan meningkatnya tekanan ambien

Tingkat pembakaran meningkat berbanding lurus dengan meningkatnya tekanan ambien

Kecepatan detonasitidak terpengaruh olehmeningkatnya tekanan ambien

9. Tidak terpengaruh olehkekuatan wadah

Tidak terpengaruh olehkekuatan wadah

Kecepatan detonasidipengaruhi oleh kekuatan wadah

10. Tidak tergantung padaukuran bahan

Tidak tergantung padaukuran komposisi

Kecepatan detonasitergantung pada diameter dari bahan peledak, yaitudiameter kritis

11. Tidak mengkonversi kedeflagrasi ataudetonasi

Dapat dikonversi kedetonasi jika kondisinya memungkinkan

Biasanya tidak kembalimenimbulkan deflagrasi, jikapropagasi dari gelombang detonasi gagal, komposisi bahan peledak secara kimiawi

tidak mengalami perubahan

KLASIFIKASI BAHAN PELEDAK

Bahan peledak dapat diklasifikasikan oleh laju kemudahan bagaimana bahan-

bahan tersebut dapat dinyalakan dan kemudian meledak. Peledak primer dapat dengan

cepat dinyalakan atau diledakkan oleh mekanis sederhana atau stimulus listrik. Bahan

peledak sekunder tidak begitu mudah dinyalakan: bahan peledak ini memerlukan

gelombang kejut berkecepatan tinggi yang umumnya dihasilkan dari peledakan bahan

peledak primer. Propelan umumnya diawali oleh api, dan tidak meledak, hanya

menghasilkan percikan api. Perbandingan efek antara bahan mudah terbakar non-

eksplosif dan bahan peledak deflagrasi dan detonasi disajikan pada Tabel 3.3.