Trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn, giới hạn nồng độ mà tại đó khí hoặc hơi dễ cháy trộn lẫn với khí oxy hóa dẫn đến nổ được gọi là giới hạn nổ. Thông thường, thuật ngữ ‘giới hạn nổ’ đề cập đến giới hạn nồng độ của khí hoặc hơi dễ cháy trong không khí. Nồng độ thấp nhất của khí dễ cháy có thể gây nổ được gọi là giới hạn nổ dưới (LEL), và nồng độ cao nhất được gọi là giới hạn nổ trên (UEL).
Khi các khí dễ cháy hoặc hơi lỏng nằm trong giới hạn nổ và tiếp xúc với nguồn nhiệt (như ngọn lửa hở hoặc nhiệt độ cao), ngọn lửa sẽ lan rộng nhanh chóng qua không gian chứa khí hoặc bụi. Phản ứng hóa học nhanh chóng này giải phóng một lượng nhiệt lớn, tạo ra các khí giãn nở do nhiệt, gây ra nhiệt độ và áp suất cao với tiềm năng phá hủy khổng lồ.
Giới hạn nổ là các thông số quan trọng trong việc mô tả nguy cơ của các khí, hơi dễ cháy và bụi dễ cháy. Thông thường, giới hạn nổ của các khí và hơi dễ cháy được biểu thị dưới dạng phần trăm của khí hoặc hơi trong hỗn hợp.
Ví dụ, ở 20°C, công thức chuyển đổi cho tỷ lệ thể tích và nồng độ khối lượng của một khí dễ cháy là:
Y = (L/100) × (1000M/22,4) × (273/(273+20)) = L × (M/2,4)
Trong công thức này, L là tỷ lệ thể tích (%), Y là nồng độ khối lượng (g/m³), M là khối lượng phân tử tương đối của khí hoặc hơi dễ cháy, và 22.4 là thể tích (lít) mà 1 mol của một chất chiếm trong trạng thái khí dưới điều kiện tiêu chuẩn (0°C, 1 atm).
Ví dụ, nếu nồng độ khí metan trong khí quyển là 10%, nó được chuyển đổi thành:
Y = L × (M/2,4) = 10 × (16/2,4) = 66,67 g/m³
Khái niệm về giới hạn nổ của các khí, hơi và bụi dễ cháy có thể được giải thích bằng lý thuyết nổ nhiệt. Nếu nồng độ của khí, hơi hoặc bụi dễ cháy nằm dưới giới hạn nổ dưới (LEL), do lượng không khí dư thừa, tác dụng làm mát của không khí và nồng độ chất dễ cháy không đủ, hệ thống mất nhiệt nhiều hơn so với lượng nhiệt thu được, và phản ứng không diễn ra. Tương tự, nếu nồng độ vượt quá giới hạn trên (UEL), nhiệt sinh ra ít hơn nhiệt mất đi, ngăn chặn phản ứng. Ngoài ra, khí hoặc bụi dễ cháy dư thừa không chỉ không phản ứng và sinh nhiệt do thiếu oxy mà còn làm mát hỗn hợp, ngăn chặn sự lan truyền của ngọn lửa. Hơn nữa, đối với một số chất như ethylene oxide, nitroglycerin và bụi dễ cháy như thuốc súng, UEL có thể đạt 100%. Các chất này cung cấp oxy trong quá trình phân hủy, cho phép phản ứng tiếp tục. Áp suất và nhiệt độ tăng cao càng thúc đẩy quá trình phân hủy và nổ của chúng.
