Apostila gás natural - Cap 1

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CAPÍTULO 1 – PROPRIEDADES FÍSICAS DO GÁS NATURAL 
 
1. PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS 
1.1. PRESSÃO DE VAPOR, PONTO DE EBULIÇÃO E VOLATILIDADE 
Vaporização e condensação, a pressão e temperaturas constantes, são processos em equilíbrio 
dinâmico, e a pressão de equilíbrio é a pressão de vapor. Numa dada temperatura, há apenas uma 
única pressão nas quais as fases líquido e vapor de uma substância pura podem existir em 
equilíbrio (vide ponto A na figura abaixo). 
 
 Os fatores relevantes que interferem na pressão de vapor de um líquido são: 
• Temperatura: um aumento na temperatura provocará uma nova condição de equilíbrio e 
conseqüente aumento da pressão de vapor. 
(K) 
A 
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• natureza do líquido: líquidos com forças de ligações intermoleculares menos intensas 
evaporam com mais facilidade, ou seja, possuem maior volatilidade (capacidade de evaporar) e, 
portanto, maior será a pressão de vapor dos mesmos. Com isso podemos afirmar que, quanto 
mais volátil for um líquido maior será sua pressão de vapor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FORÇAS DE INTERAÇÕES MOLECULARES 
 
 
 
MAIOR A PRESSÃO 
DE VAPOR 
MENOR PONTO DE 
EBULIÇÃO 
MAIOR 
VOLATILIDADE 
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São importantes características do gás natural: 
 sua densidade sendo inferior à do ar; 
 seu baixo ponto de vaporização; e 
 o limite de inflamabilidade em mistura com o ar superior a outros gases combustíveis. 
i. Densidade – o gás natural possui densidade relativa inferior à 1,0, sendo portanto mais leve 
que o ar. Este fato tem importância decisiva para segurança operacional das instalações; 
ii. Ponto de Vaporização – é o ponto em que ocorre a mudança de fase do estado líquido para o 
estado gasoso em certas condições de temperatura e pressão. À pressão atmosférica, a 
vaporização do gás natural ocorre à temperaturas próximas de -161 ºC; 
iii. Limites de Inflamabilidade – os limites de inflamabilidade podem ser definidos como as 
percentagens mínima e máxima de gás combustível em composição com o ar, a partir das quais a 
mistura não irá inflamar-se e permanecer em combustão. 
O limite inferior representa a menor proporção de gás em mistura com o ar que irá 
queimar sem a aplicação continua de calor de uma fonte externa. Em proporções menores ao 
limite inferior a combustão cessa quando interrompida a aplicação de calor. 
O limite superior é a proporção de gás na mistura a partir da qual o gás age como diluente 
e a combustão não pode se auto-propagar. 
Para o Gás Natural, os limites de inflamabilidade inferior (ou Limite inferior de 
Explosividade - LIE) e superior são, respectivamente, 5% e 15% do volume. 
Dentro da faixa de concentrações compreendida entre o LIE e o LSE a mistura de gases ou 
vapores pode propagar chama, bastando para isso a presença de uma fonte de ignição. 
 O gráfico abaixo mostra as faixas de inflamabilidade de algumas substâncias químicas 
que são utilizadas nas indústrias químicas, petroquímicas, refinarias, biocombustíveis, entre 
outras. 
 
 
 
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Fonte: http://portalnr33.com.br/index.php/2016/08/12/faixa-de-explosividade/ 
1.2. MASSA ESPECÍFICA (OU DENSIDADE) E °API 
Densidade absoluta ou massa específica é uma propriedade física das substâncias cujo valor se 
calcula pela relação entre certa massa m de uma substância (ou mistura) e o volume V ocupado 
por essa massa. 
 
V
m
d 
 
Unidades usuais: 
 grama por centímetro cúbico (g/cm3) 
 no Sistema Internacional a unidade é o quilograma por metro cúbico (kg/m3) 
 
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Densidade Relativa pode ser obtida pelo quociente entre a massa específica desse material e a 
massa específica de um padrão. De modo geral, para líquidos, o padrão utilizado é a água 
destilada a 4 °C, cuja densidade absoluta pode ser considerada como 1,0 g/cm
3
. 
A densidade relativa dos gases é geralmente medida em relação ao ar seco à uma temperatura de 
20 °C e uma pressão de 101,325 kPa absolutos, que tem uma densidade de 1.205 kg/m
3
. 
A tabela abaixo apresenta a massa específica de algumas substâncias químicas: 
 
SUBSTÂNCIA 
 
água 1,0 1.000 
gelo 0,92 920 
álcool 0,79 790 
ferro 7,8 7.800 
chumbo 11,2 11.200 
 
 
 
 
 Grau API: escala desenvolvida pelo American Petroleum Institute – API, juntamente 
com a National Bureau of Standards, utilizada para medir a densidade relativa dos 
líquidos. 
É uma maneira de expressar a densidade de petróleos, definida pela seguinte expressão 
matemática: 
5,131
5,141
)60(

Frd
API
 
 dr (60°F) – densidade relativa da amostra de petróleo (e outros) em relação à água, ambos à 
temperatura de 60°F (15,5°C). 
 
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- A tabela abaixo apresenta a classificação quanto ao °API: 
PETRÓLEO LEVE dr  0,87 °API  31° 
PETRÓLEO MEDIANO 0,87 < dr  0,92 22°  ° API < 31° 
PETRÓLEO PESADO 0,92 < dr < 1,00 10° < ° API <22° 
PETRÓLEO 
EXTRAPESADO 
dr 1,00 ° API  10° 
 
 
Perspectivas de disponibilidades de óleos pesados (rendimento volumétrico). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Fonte: Petrobras, 2010 
 
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1.3. PODER CALORÍFICO: Define-se como a quantidade de energia interna contida no 
combustível, obtida por unidade de massa ou volume, sendo que quanto mais alto for o poder 
calorífico, maior será energia contida. É também conhecida como calor padrão de combustão. 
Um combustível é constituído basicamente de hidrogênio e carbono, tendo o hidrogênio o poder 
calorífico de 28.700 kcal/kg enquanto que o carbono é de 8.140 kcal/kg, por isso, quanto mais 
rico em hidrogênio for o combustível maior será o seu poder calorífico. 
Há dois tipos de poder calorífico: 
- Poder Calorífico Superior (PCS): É a quantidade de calor produzido por 1 kg de combustível, 
quando este entra em combustão, em excesso de ar, e os gases da descarga são resfriados de 
modo que o vapor de água neles seja condensado. Toda a água formada é condensada ao 
estado líquido. É o calor obtido na bomba calorimétrica para análise de combustíveis. 
- Poder Calorífico Inferior (PCI): É a quantidade de calor que pode produzir 1kg de 
combustível, quando este entra em combustão com excesso de ar e gases de descarga são 
resfriados até o ponto de ebulição da água, evitando assim que a água contida na combustão seja 
condensada. Toda a água formada permanece no estado vapor. Como a temperatura dos gases 
de combustão é muito elevada nos motores endotérmicos, a água contida neles se encontra 
sempre no estado de vapor, portanto, o que deve ser considerado é o Poder Calorífico Inferior e 
não o superior. 
Propriedades do gás natural: 
Tabela de Propriedades Média 
Poder Calorífico superior (kcal/Nm³) 9.958 
Poder Calorífico inferior (Kcal/Nm³) 8.993 
Densidade relativa (Ar = 1) 0,602 
MassaMolecular Aparente (g/mol) 17,367 
Relação gás/ar (m³/m³) 1/9,96 
Velocidade de Chama (cm/seg) (H2 = 346 cm/seg) 49,4 
Limite de inflamabilidade superior (% gás no ar) 14,9 
Limite de inflamabilidade inferior (% gás no ar) 4,8 
 
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1.4. VISCOSIDADE 
É a medida da resistência de um fluido à deformação causada por uma força. Descreve a 
resistência interna para fluir de um fluido (gás ou líquido) e deve ser pensada como a medida do 
atrito do fluido. Assim, a água é "fina", tendo uma baixa viscosidade, enquanto óleo vegetal é 
"grosso", tendo uma alta viscosidade. 
A viscosidade também depende da temperatura. O óleo de um motor, por exemplo, é muito 
menos viscoso a temperaturas mais altas do que quando o motor está frio. 
 Em geral, a viscosidade dos gases cresce com a temperatura e a dos líquidos 
decresce. 
 
Escoamento em dutos 
É uma importante propriedade quando se consideram movimentações de produtos em 
tubulações devido à perda de carga que se verifica nas mesmas. 
O fluido em um duto (tubulação) sofre forças de atrito. Existe atrito com as paredes do duto, e 
com o próprio fluido, convertendo parte da energia cinética em calor. As forças de atrito que 
impedem as diferentes camadas do fluido de escorregar entre si são chamadas de viscosidade. A 
viscosidade é uma medida da resistência de movimento do fluido. 
A velocidade de um fluido real diminui para zero próximo da superfície de um objeto sólido. 
Uma pequena camada de fluido próximo às paredes de um tubo possui velocidade zero. A 
velocidade do fluido aumenta com a distância às paredes do tubo. Se a viscosidade de um fluido 
for pequena, ou o tubo possuir um grande diâmetro, uma grande região central irá fluir com 
velocidade uniforme. Para um fluido de alta viscosidade a transição acontece ao longo de uma 
grande distância e em um tubo de pequeno diâmetro a velocidade pode variar através do tubo 
como mostra a figura acima. 
- Viscosidade absoluta ou dinâmica: é usada para expressar as forças absolutas que agem entre 
as camadas de líquidos. A unidade de medida é o Poise sendo mais usado o centipoise (cP). 
 - Viscosidade cinemática: é usada para expressar o movimento dos líquidos viscosos, 
correspondendo a relação entre a viscosidade absoluta de um líquido e sua densidade, à mesma 
temperatura. A unidade de medida é o Stokes sendo mais usado o centistokes (cSt). 
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- A tabela abaixo exemplifica alguns coeficientes de viscosidade 
LÍQUIDOS (Poise) GASES (10
-4 
Poise) 
glicerina (20 
o
c) 8,3 ar (0 
o
C) 1,71 
água (0 
o
c) 0,0179 ar (20 
o
C) 1,81 
água (100 
o
c) 0,0028 ar (100 
o
C) 2,18 
éter (20 
o
c) 0,0124 água (100 
o
C) 1,32 
mercúrio (20 
o
c) 0,0154 CO2 (15 
o
C) 1,45 
 
 
1.5. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DO GÁS NATURAL A 
SEREM ESTUDADAS: 
 
 
 Poder Calorífico Superior (PCS): Energia na forma de calor (água formada no estado 
líquido). 
 Poder Calorífico Inferior (PCI): Energia na forma de calor, (água formada no estado 
gasoso). Diferença: Entalpia de condensação da água. 
 Densidade Relativa (ρ): Massa do gás por massa de ar seco. 
 Índice de Wobbe (IW): IW = PCS / 
d
 - energia disponibilizada em um sistema de 
combustão por um orifício injetor. Dois gases diferentes, com mesmo IW disponibilizarão a 
mesma quantidade de energia. 
 Poder anti-detonante: Capacidade do combustível resistir a pressão sem detonar (resiste a 
taxas de compressão de 1:16). 
 Número de octano: Para combustíveis líquidos. Gás natural 115 a 130, C1=140. 
 Número de Metano (NM): Capacidade antidetonante do gás natural (limites: C1=100, H2=0). 
 Ponto de Orvalho: Temperatura que ocorre a formação da primeira gota de líquido quando o 
gás é resfriado ou comprimido. 
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2. COMPORTAMENTO TERMODINÂMICO DOS GASES IDEAIS E REAIS 
2.1. ESTADO DE EQUILÍBRIO P-V-T PARA GASES 
 
O estado do sistema é representado por um ponto em um diagrama P -V. Podemos levar o 
sistema desde um estado inicial a outro final através de uma sucessão de estados de equilíbrio. 
Diversas equações de estado podem ser compiladas visando obter uma relação f(T,P,V)=0, ou 
seja, descrição de equações que sejam capazes de explicar quantitativamente o comportamento 
real dos gases nas perturbações que podem ocorrer nas variáveis p, V, e T. 
A equação de estado mais simples é a de um gás ideal pV=nRT, onde n representa o número de 
moles, e R a constante dos gases R=0.082 atm·l/(K mol). 
Importante variável termodinâmica, a energia interna de um sistema representa a soma das 
energias de todas as suas partículas. Por exemplo, em um gás ideal há a caracterização de que as 
moléculas somente têm energia cinética, os choques entre as moléculas são supostos 
perfeitamente elásticos, a energia interna somente depende da temperatura. 
 
2.2. TRABALHO MECÂNICO FEITO PELO OU SOBRE O SISTEMA 
 
Para um gás dentro de um cilindro, as moléculas se chocam contra as paredes variando a direção 
de sua velocidade, ou de seu momento linear. O efeito do grande número de colisões na unidade 
de tempo, pode ser representada por uma força F que atua sobre toda a superficie da parede. 
 
Se uma das paredes é um pistão móvel de área A, e este tendo um deslocamento dx, a troca de 
energia do sistema com o ambiente (meio externo a um sistema) pode ser expressa pelo trabalho 
realizado pela força F ao longo do deslocamento dx, a saber: 
dW = - F.dx = - p.A.dx = - p.dV 
 
Sendo dV a mudança do volume do gás. 
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O trabalho total realizado quando o sistema passa do estado A cujo volume é VA ao estado B cujo 
volume é VB. 
 
 
2.3. O CALOR 
Nos conceitos básicos de transferência de calor, o termo “calor” refere-se a uma transferência de 
energia entre um sistema e o meio que o rodeia devido aos choques entre as moléculas do sistema 
e do exterior ao mesmo. 
Dos conceitos da Termologia, é importante notar distinção entre os conceitos de calor e energia 
interna de uma substância. O fluxo de energia (calor) só existe quando existir quando há 
diferenças de temperaturas. Já a energia interna é a energia que tem uma substância devido a sua 
temperatura, manifestação termodinâmica dos somatórios de energias cinéticas de suas 
moléculas. 
Quando n mols de uma substância, de calor específico c, aumenta sua temperatura de TA a TB, o 
calor absorvido (ou liberado) pode ser obtido da equação: 
Q = n.c.(TB -TA) 
 
2.4. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA 
Para cada estado de um sistema corresponde a uma energia interna U. Quando o sistema passa do 
estado A ao estado B, sua energia interna varia em: 
U=UB - UA 
A equação que descreve a conservação da energia do sistema. 
U = Q - W 
Se o estado inicial e o final estão muito próximos entre si, o primeiro princípio é descrito: 
dU = dQ - pdV 
 
 
 
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3. NOÇÕES DE MECÂNICA DOS FLUIDOS 
3.1. DEFINIÇÕES 
• A CINEMÁTICA DOS FLUIDOS estuda o movimento do fluido (escoamento) sem se importar 
com as causas que provocam este efeito. Entende-se por escoamento qualquer simples alteração na 
forma inicial do fluido, sob ação de esforço tangencial. Também pode ser chamado de “fluidez”. 
• LINHADE CORRENTE: é uma curva imaginária, tomada através do fluido, para indicar a 
direção da velocidade em diversos pontos. As linhas de corrente nunca se cruzam pois, se isto 
ocorrer, a partícula que estiver no ponto de cruzamento terá velocidades diferentes, o que é 
impossível na prática. 
• TUBO DE CORRENTE: é um conjunto de linhas de corrente, formando uma figura espacial 
fechada (tubo) entre si, onde não há escoamento perpendicular às suas paredes. 
• CLASSIFICAÇÃO DO ESCOAMENTO: 
 
I) Quanto à direção da trajetória: 
- laminar: as linhas de corrente formam como “lâminas” paralelas que escoam em baixa velocidade; 
- turbulento: as linhas de corrente formam pequenos turbilhões (vórtices) ao longo do escoamento, 
geralmente em altas velocidades; 
 
II) Quanto à variação no tempo: 
- permanente: as propriedades do fluido e sua velocidade não variam no tempo, num dado 
ponto do escoamento, podendo variar de ponto a ponto; 
- transiente: as propriedades do fluido e sua velocidade variam no tempo, num dado ponto 
do escoamento, podendo variar também de ponto a ponto; 
 
III) Quando à variação da trajetória: 
- uniforme: numa dada trajetória em todos os pontos a velocidade é constante no intervalo de 
tempo considerado, podendo variar de uma trajetória para outra; 
- variado: os diversos pontos da trajetória não apresentam velocidade constante no intervalo de 
tempo considerado; 
 
 
 
 
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 trajetória uniforme 
 
 
 trajetória variada 
 
 
VI) Quanto à compressibilidade: 
- compressível: as propriedades do fluido variam conforme a posição da partícula; 
- incompressível: as propriedades do fluido não variam conforme a posição da partícula; 
 
3.2 PRINCIPAIS VARIÁVEIS 
 
• VAZÃO VOLUMÉTRICA E VAZÃO MÁSSICA 
- Define-se VAZÃO VOLUMÉTRICA (Q) como sendo a relação entre o volume de massa 
deslocado na unidade de tempo. 
 
t
V
Q



 onde V: volume e t: tempo 
 
 
- VAZÃO MÁSSICA: é a relação entre a massa em escoamento na unidade de tempo. 
 
 
 Onde m: massa e t: tempo 
 
 
 
 
 
t
m
QM



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* Outra forma de escrever a equação da vazão volumétrica: 
 
V= A . L onde A: área atravessada perpendicularmente pelo fluxo 
 L: distância percorrida pelo fluxo no tempo t 
 
Podemos então escrever que: 
 
  vAQvA
t
L
A
t
LA
t
V
Q ...
.













 onde 
t
L
v


: velocidade de escoamento do fluido 
 
 
 fluxo A A 
 
 
 
 
 
 L 
 
• Equação de continuidade 
Considere uma caixa de água conectada a pedaços de tubos com diâmetros diversos, ao longo do 
caminho em que a água escoa. Suponha também que exista uma bomba de água no circuito. Um 
circuito muito simples é mostrado na figura abaixo 
 
Fazendo a bomba de água funcionar por uns instantes irá acelerar a água e começar o 
escoamento. A bomba cria um gradiente de pressão. Se observarmos um dado volume de água 
em uma seção reta do tubo, a pressão no lado 1 desse volume será diferente da pressão no lado 2. 
Isto leva a uma força resultante no volume de água naquela seção, e ela irá se acelerar. Se a 
pressão fosse a mesma em ambos os lados, a força resultante seria nula, e o volume de água 
continuaria seu movimento com velocidade constante. Depois que a água estiver fluindo a uma 
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certa velocidade, a bomba tem que realizar um trabalho muito menor. Ela somente terá que 
trabalhar contra as forças de atrito. A água em diferentes seções do circuito terá diferentes 
energias potenciais por unidade de volume (por exemplo, por cm
3
). Ela também deve ter energias 
cinéticas diferentes por unidade de volume. Nas seções mais estreitas ela deve fluir mais 
rápido do que nas seções mais largas, já que a mesma quantidade de água deve fluir através de 
cada seção transversal do tubo na mesma quantidade de tempo. 
Na figura abaixo mostramos o fluxo de massa (ou vazão) que passa por uma seção transversal de 
um tubo. Ele é dado por Δm/ Δt, onde Δm é a quantidade de massa que passa pela seção 
transversal A, por unidade de tempo Δt. 
 
 
 
A quantidade de volume de fluido que passa pela área A é, ΔV = A Δl . Mas, como Δl = v.Δt , 
temos que Δm = ρ .ΔV = ρ A.v. Δt. Logo, 
 
 
onde ρ é a densidade (massa específica) do fluido. 
 
Mas, e se a área A muda de uma seção para a outra? A figura abaixo mostra os novos parâmetros 
que entram no cálculo: 
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Temos que no ponto 1 , Δm1= ρ1.A 1.v1 .Δt , e no ponto 2, Δm2= ρ2.A 2.v2 .Δt . Não estamos 
criando nem destruindo massa. Logo, a massa Δm1 que flui para uma região deve ser igual à 
massa Δm2 que sai da região. Isto é, Δm1= Δm2 . Ou seja, ρ1.A1.v1. Δt = ρ 2.A2.v2 .Δt , ou 
 
ρ1. A1 .v1 = ρ 2 . A2 .v2 , 
 
ou 
 
ρ . A . v = constante . 
 
 
 
No caso em que a densidade do fluido é constante, a equação de continuidade será dada por 
 
A . v = constante = k 
 
 
 
 
 
 
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• Equação de Bernoulli 
A energia potencial da água muda enquanto ela se move. Enquanto que a água se move, a 
mudança na energia potencial é a mesma que aquela de um volume V que se movimentou da 
posição 1 para a posição 2. A energia potencial da água no resto do tubo é a mesma que a energia 
potencial da água antes do movimento. Logo, temos que: 
 
 
 
 
 
 
mudança na energia potencial = massa da água em V  g  mudança na altitude 
 = densidade  V  g  (h2 - h1) =  V g (h2 - h1). 
 
A energia cinética da água também muda. Novamente, só precisamos achar a mudança na energia 
cinética em um pequeno volume V, como se a água na posição 1 fosse substituída pela água na 
posição 2 (veja a figura acima). A energia cinética da água no resto do tubo é a mesma que a 
energia cinética antes do movimento. 
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Logo, temos que mudança na energia potencial = ½ m v2
2 = ½ m v1
2 = ½  V v2
2 = ½  
V v1
2. 
Se a força sobre a água na posição 1 é diferente do que a força da água na posição 2, existe um 
trabalho sobre a água à medida que ela se move. A quantidade de trabalho é W = F1 l1 = F2 l2. 
Mas, força = pressão vezes área, de modo que W = p1 A1 l1 = p2 A2 l2 = p1 V - p2 V . 
O trabalho deve ser igual à mudança na energia. Logo, 
 
p1 V - p2 V =  V g (h2 - h1) + ½  V v2
2 + ½  V v1
2 
 
ou 
 
p1 V +  V g h1+ ½  V v1
2 = p2 V +  V g h2 + ½  V v2
2
 
 
Dividindo por V, temos que 
 
 p1 +  g h1+ ½  v1
2 = p2 +  g h2 + ½  v2
2 
 
 
ou 
 
 
 p +  g h+ ½  v2= constante. 
 
 
 
 
Esta é a equação de Bernoulli. Ela implica que, se um fluido estiver escoando em um estado defluxo contínuo, então a pressão depende da velocidade do fluido. Quanto mais rápido o fluido 
estiver se movimentando, tanto menor será a pressão à mesma altura no fluido. 
 
 Aplicações da equação de Bernoulli 
- Aviões: A asa de um avião é mais curva na parte de cima. Isto faz com que o ar passe mais 
rápido na parte de cima do que na de baixo. De acordo com a equação de Bernoulli, a pressão do 
ar em cima da asa será menor do que na parte de baixo, criando uma força de empuxo que 
sustenta o avião no ar. 
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- Vaporizadores: Uma bomba de ar faz com que o ar seja empurrado paralelamente ao extremo de 
um tubo que está imerso em um líquido. A pressão nesse ponto diminui, e a diferença de pressão 
com o outro extremo do tubo empurra o fluido para cima. O ar rápido também divide o fluido em 
pequenas gotas, que são empurradas para frente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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- Medidores de velocidade de um fluido: 
 
1 - Tubo de Venturi 
De acordo com a equação da continuidade, ter-se-á v1/v2 = S2/S1. De acordo com 
Bernoulli, verifica-se também (no caso de z = const), logo: 
p1 + (/2).v1
2 = p2 + (/2).v2
2 
 
 
 
Na região estreita, a velocidade v é maior, sendo, portanto, menor a pressão p. 
Nisto se baseia a construção da bomba a jato d'água (trompa), como a ilustrada abaixo: 
 
 
 
 
Seja, em particular, p2 menor que a pressão barométrica po, de modo que o líquido é 
impulsionado para cima, mesmo se p1 for maior que po. Pode-se, também, pôr a secção 
transversal S2 em comunicação com um recipiente, no qual se deseja obter o vácuo. O conteúdo 
fluido desse recipiente escoa, então, para o trecho onde reina a pequena pressão p2, até que a 
pressão, no interior do recipiente considerado, se iguale a p2. De acordo com Bernoulli, será: 
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