Um método de calibração de termômetros consiste em estabelecer a temperatura do ponto triplo da água ($\text{H}_2\text{O}$), a partir do qual é verificado se a leitura do termômetro está de acordo com a escala pela qual este foi projetado. Uma das maneiras para se obter o ponto triplo da água consiste em inserir água ($\text{H}_2\text{O}$) na fase líquida em um tubo, onde se faz vácuo. Disso resulta uma mistura de água + vapor de água e neste momento o tubo é selado. Resfriando-se o tubo, verifica-se que as três fases da água ($\text{H}_2\text{O}$) coexistem quando a indicação de temperatura no termômetro de controle se estabiliza em $0{,}01\,{}^\circ\text{C}$ ($273{,}16$ K) e a pressão interna do tubo é de $4{,}58$ mmHg ($0{,}006026317$ atm). Dessa maneira, verifica-se que
No ponto triplo as três fases coexistem em equilíbrio, e isso só ocorre sob pressão muito baixa (4,58 mmHg). Reduzir a pressão sobre o líquido baixa a temperatura de ebulição, que pode chegar perto da temperatura de fusão, enquanto o ponto de fusão quase não muda. Por isso é possível ferver a água sem aquecê-la, apenas reduzindo a pressão. Alternativa D.
A: o vácuo não aquece o sistema nem realiza trabalho que eleve a energia interna; a vaporização ocorre porque a pressão cai. B e C: variar a temperatura do tubo selado não "realiza trabalho externo", pois o volume é fixo, e aquecer não congela a água. E: a diminuição da pressão não congela a água, e sim reduz o ponto de ebulição.
Um gás ideal, inicialmente à temperatura de $300$ K e pressão de $100$ kPa, contido num cilindro de $0{,}3\ \text{m}^3$, é comprimido por um pistão recebendo $2000$ J de trabalho e perdendo $500$ J de calor para o ambiente. As variações da energia interna e da temperatura são, respectivamente,
Pela primeira lei, $\Delta U=Q+W$, com $Q=-500$ J (o gás perde calor) e $W=+2000$ J (o gás recebe trabalho): $\Delta U=-500+2000=+1500$ J. O número de mols vem de $PV=nRT$: $nR=\dfrac{PV}{T}=\dfrac{(1{,}0\times10^5)(0{,}3)}{300}=100$ J/K. Tratando o gás como ideal monoatômico, $\Delta U=\tfrac32 nR\,\Delta T$, então $\Delta T=\dfrac{1500}{150}=10$ K. Alternativa C.
A e D: a variação de temperatura é $10$ K, e não a temperatura final de $310$ K. B e E: o sinal da variação de energia interna é positivo, pois o gás ganhou mais energia do que perdeu.
Dois relógios, A e B, em repouso no referencial da Terra, são precisamente sincronizados. Enquanto o relógio A permanece em repouso no referencial da Terra, o relógio B é embarcado em um foguete espacial que, após o lançamento, adquire velocidade de cruzeiro $v$ em relação à Terra. De acordo com a Teoria da Relatividade Especial, os relógios A e B deixam de estar sincronizados uma vez que o tempo é percebido de forma diferente para observadores em diferentes referenciais inerciais. No caso em tela, os cientistas notaram que o tempo transcorrido no relógio B, ao retornar à Terra, é igual à metade do tempo transcorrido no relógio A. Em termos da velocidade da Luz $c$, a velocidade $v$ do foguete durante o experimento (admitindo que os efeitos da aceleração do foguete possam ser desprezados) foi de
O tempo medido no foguete (tempo próprio) é $\Delta t_B=\Delta t_A/\gamma$. Como $\Delta t_B=\Delta t_A/2$, resulta $\gamma=2$. De $\gamma=\dfrac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}$: $1-\dfrac{v^2}{c^2}=\dfrac14$, logo $v=c\sqrt{\tfrac34}\approx0{,}866\,c$, ou seja, cerca de $0{,}86c$. Alternativa A.
E: nenhuma velocidade pode superar $c$. B, C e D: valores que não resultam de $\gamma=2$ (por exemplo, $0{,}50c$ daria $\gamma\approx1{,}15$).
No filme “Oppenheimer”, é retratada a história do Projeto Manhattan durante a 2ª Guerra Mundial, que foi liderado pelo físico norte-americano Robert J. Oppenheimer e que tinha como objetivo o desenvolvimento de um artefato bélico: a bomba atômica. Esse objetivo foi alcançado utilizando-se um processo conhecido como Fissão Nuclear, que consiste em fissionar os núcleos atômicos de elementos pesados, bombardeando-os com nêutrons. Uma reação em cadeia é iniciada, uma vez que, a cada fissão de um núcleo, novos nêutrons são liberados originando novos processos de fissão. Uma reação bastante comum para a época é mostrada a seguir:
$${}^{235}\text{U}+{}^{1}\text{n}\rightarrow{}^{141}\text{Cs}+{}^{93}\text{Rb}+2\,{}^{1}\text{n}+E$$
A energia $E$ liberada nesse processo pode ser calculada através da energia de repouso de Einstein, $E=mc^2$, em que $m$ é a massa dos elementos envolvidos na reação e $c$ é a velocidade da luz. Considerando as massas $m_U=235{,}04392\,u$, $m_{Rb}=92{,}92157\,u$, $m_{Cs}=140{,}91963\,u$, $m_n=1{,}00866\,u$; e $c^2=931{,}5\ \dfrac{\text{MeV}}{u}$, a energia $E$ liberada na reação em MeV (mega elétron-volts) é
A energia liberada corresponde ao defeito de massa $\Delta m=m_{\text{reagentes}}-m_{\text{produtos}}$. Reagentes: $235{,}04392+1{,}00866=236{,}05258\,u$. Produtos: $140{,}91963+92{,}92157+2(1{,}00866)=235{,}85852\,u$. Então $\Delta m=0{,}19406\,u$ e $E=\Delta m\,c^2=0{,}19406\times931{,}5\approx180{,}8$ MeV, isto é, cerca de $181$ MeV. Alternativa E.
A e B: resultam de multiplicar a massa total, e não o defeito de massa, por $931{,}5$. C: usa $2\Delta m$ ou erra a conta com o número de nêutrons. D: é o valor de $c^2$ em MeV/u, não a energia liberada.
Em uma demonstração, um ímã de neodímio é colocado dentro de um cilindro plástico. Desconsiderando a resistência do ar, nota-se que a queda do ímã se dá de acordo com a influência da gravidade, perfazendo um movimento retilíneo uniformemente variado. Repetindo-se o experimento e substituindo-se o cilindro plástico por um cilindro de cobre, percebe-se que o ímã agora cai lentamente. Esse fenômeno pode ser explicado pela eletrodinâmica, uma vez que o campo magnético produzido pelo ímã caindo produz correntes elétricas no cobre e, por sua vez, essas correntes elétricas geram campos magnéticos opostos ao campo original. Essa diferença no comportamento do ímã em cada um dos tubos é explicada pelas leis
O ímã em queda faz variar o fluxo magnético através do cobre, o que induz correntes (lei de Faraday). Essas correntes criam um campo que se opõe à variação do fluxo, freando o ímã (lei de Lenz). No plástico, isolante, não há corrente induzida e a queda é livre. Alternativa B.
As demais associam leis que não descrevem a indução: Kepler e Gravitação tratam de órbitas e atração entre massas; Ohm e Gauss, de resistência e fluxo elétrico; Ampère e Biot-Savart, de campos criados por correntes, não de correntes induzidas por variação de fluxo.