Lo shock termico descrive il modo in cui alcuni materiali sono soggetti a danni se esposti a un improvviso cambiamento di temperatura. Il vetro e alcuni altri materiali sono vulnerabili a questo processo, in parte perché non conducono molto bene l’energia termica. Ciò si osserva facilmente quando un bicchiere caldo viene esposto all’acqua ghiacciata: il risultato è un vetro rotto, rotto o addirittura frantumato.
Il danno è una reazione a una fluttuazione di temperatura rapida ed estrema, ma il processo è un po’ più complicato di così. Lo shock è il risultato di un gradiente termico, che si riferisce al fatto che la variazione di temperatura avviene in modo non uniforme. Il cambiamento di temperatura provoca l’espansione della struttura molecolare di un oggetto, a causa dell’indebolimento dei legami che tengono le molecole in formazione. L’esistenza del gradiente termico significa che questa espansione avviene in modo non uniforme e il vetro in particolare è molto vulnerabile a questo processo.
Nell’esempio del vetro caldo, ciò significa che il rapido cambiamento di temperatura fa sì che alcune parti del vetro diventino rapidamente molto più calde di altre parti. Questo, a sua volta, provoca un’espansione irregolare, che mette sotto stress la struttura molecolare. Se lo stress diventa abbastanza grande, la resistenza del materiale viene superata e il vetro si rompe.
Ceramica e vetro sono entrambi vulnerabili a questo processo, in parte perché non sono buoni conduttori di energia termica, e anche perché non hanno un’elevata resistenza alla trazione. Anche così, questi materiali sono spesso usati per applicazioni in cui sono comuni temperature estreme, perché hanno punti di fusione molto alti. Il problema diventa quindi come prevenire lo shock termico pur mantenendo le temperature estreme richieste dal processo.
È possibile migliorare la resistenza agli urti del vetro e della ceramica migliorando la resistenza del materiale o riducendo la sua tendenza all’espansione irregolare. Un esempio di successo in questo settore è Pyrex®, il marchio di un tipo di vetro più noto ai consumatori come pentolame, ma utilizzato anche per la produzione di vetreria da laboratorio. Il tipo di vetro tradizionalmente utilizzato per realizzare il Pyrex® è chiamato vetro borosilicato, per via dell’aggiunta di boro, che previene gli urti riducendo la tendenza del vetro ad espandersi.
Quando i materiali devono essere testati per la loro capacità di resistere a temperature estreme, vengono testati all’interno di una camera di shock termico. All’interno della camera, sono esposti a cicli rapidi di temperature estremamente calde e fredde, per determinare le temperature alle quali viene superata la resistenza alla trazione del materiale. Questo tipo di test viene utilizzato in una vasta gamma di settori, tra cui lo sviluppo di veicoli terrestri, aerei e spaziali, nonché la produzione industriale.