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ENERGÍA Y MOVIMIENTO Energía y temperatura I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Física y Química 4º ESO: guía interactiva para la resolución.

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1 ENERGÍA Y MOVIMIENTO Energía y temperatura I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Física y Química 4º ESO: guía interactiva para la resolución de ejercicios

2 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Índice Ejercicio 1 Ejercicio Ejercicio 2 Ejercicio Ejercicio 3 Ejercicio Ejercicio 4 Ejercicio Ejercicio 5 Ejercicio Ejercicio 6 Ejercicio Ejercicio 7 Ejercicio Ejercicio 8 Ejercicio Ejercicio 9 Ejercicio Ejercicio 10 Ejercicio Ejercicio 11 Ejercicio Ejercicio 12 Ejercicio Ejercicio 13 Ejercicio Ejercicio 14 Ejercicio Ejercicio 15 Ejercicio Ejercicio 16 Ejercicio Ejercicio 17 Ejercicio Ejercicio 18 Ejercicio Ejercicio 19 Ejercicio Ejercicio 20 Ejercicio Ejercicio 21 Ejercicio Ejercicio 22 Ejercicio Ejercicio 23 Ejercicio Conceptos generales Energía térmica transferida y equilibrio térmico Efectos y propagación del calor

3 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Ayuda Los conceptos que vas a utilizar en este tema son: la temperatura, la energía térmica y el calor; los tres están estrechamente relacionados, pero son distintos y no has de confundirlos: Temperatura: es una propiedad de los cuerpos que determina en qué dirección se transfiere la energía (siempre desde el cuerpo que está a mayor temperatura hacia el que está a menor). La temperatura se mide con los instrumentos llamados termómetros (siempre basados en la variación de una propiedad con la temperatura). Existen diversas escalas termométricas, de las que las más importantes son la Celsius o centígrada y la absoluta o Kelvin. Hay también una manera de comprender qué es la temperatura de un cuerpo en relación con el movimiento de sus partículas, como verás si sigues leyendo esta ayuda. Energía térmica: está relacionada con la energía de las partículas que constituyen un cuerpo, principalmente con la energía cinética (las partículas pueden trasladarse, girar o vibrar). Es por tanto una magnitud que depende del estado del cuerpo. Se mide en julios como cualquier otra energía. Cuanto mayor es la energía térmica que tiene un cuerpo, y por tanto cuanto mayor es la energía cinética media de sus partículas, mayor es su temperatura. Podemos decir que la temperatura está relacionada con la energía cinética media de las partículas de los cuerpos, y que a mayor valor de aquella, las partículas se mueven a mayor velocidad...

4 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Ayuda Calor: es la energía térmica que se transfiere de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que está a menor temperatura. El calor es energía en tránsito. Es incorrecto decir que un cuerpo tiene calor, pues como ya se ha dicho lo que tienen los cuerpos es energía térmica. Capacidad calorífica (C): es la cantidad de energía térmica que un cuerpo debe tomar de otro cuerpo para elevar 1 ºC su temperatura. Se mide en J/ºC. Las sustancias con capacidad calorífica alta absorben y ceden calor con dificultad. Capacidad calorífica específica (c) : es la cantidad de energía térmica que 1 kg de un cuerpo debe tomar de otro cuerpo para elevar 1 ºC su temperatura. Se mide en J/(ºC.kg). En la diapositiva siguiente se muestran valores de capacidades caloríficas específicas para algunas sustancias. Transferencia de energía térmica. Equilibrio térmico: Como ya se ha dicho, cuando dos cuerpos están a distinta temperatura, fluye energía desde el que está a más temperatura hacia el que está a menos, hasta que las temperaturas de ambos se igualan; en ese momento se dice que los cuerpos están en equilibrio térmico. Este fenómeno hay que entenderlo desde el punto de vista microscópico: al poner en contacto los cuerpos, las partículas que tienen mayor energía cinética y las que la tienen menor, chocan entre sí hasta que se adquiere un valor medio igual para los dos cuerpos.

5 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Ayuda SUSTANCIACAPACIDAD CALORÍFICA ESPECÍFICA J/(ºC.kg) Agua4180 Alcohol2430 Glicerina2260 Hielo2100 Aluminio890 Hormigón800 Vidrio700 Acero500 Cobre380 Vapor de agua1900 Oxígeno29

6 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Ayuda Equilibrio térmico. Cálculos: La cantidad de energía térmica transferida (o calor, q) por un cuerpo de capacidad calorífica específica c y masa m, viene dada por la fórmula siguiente, donde T 1 y T 2 serían las temperaturas inicial y final del cuerpo.El resultado puede ser positivo, si el cuerpo aumenta su temperatura, o negativo en caso contrario. Cuando se han de considerar dos cuerpos que intercambian energía, el cálculo se hace a partir del concepto de equilibrio térmico. Energía cedida = Energía ganada Otros fenómenos relacionados con el calor son: Dilatación térmica Propagación del calor Conducción Convección Radiación

7 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Contesta a las cuestiones que vayan apareciendo en la pantalla. 1 ¿Cómo se comportan las partículas de un sólido cuando la temperatura aumenta? Dos objetos tienen la misma temperatura. ¿Qué podemos decir sobre las partículas que los forman? Justifica, con la teoría cinético- molecular por qué la energía para calentar una sustancia depende de la masa de ésta. En un sólido la energía cinética que tienen las partículas es de vibración; al aumentar la temperatura aumentará la velocidad de vibración de las partículas. Las partículas de los dos objetos tendrán la misma energía cinética media. La masa de la sustancia depende del número de partículas, a mayor numero de éstas se necesita más energía para aumentar su energía cinética media.

8 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química 2 Contesta a las cuestiones que vayan apareciendo en la pantalla. ¿En qué difiere un termómetro clínico del termómetro que usamos en el laboratorio? ¿Qué ventajas presenta el termómetro de mercurio respecto al de alcohol? El termómetro el clínico sólo necesita una escala desde 35ºC hasta 42º-43ºC. Además debe mantenerse la lectura después de sacarse del cuerpo, para lo que lleva un estrangulamiento que impide que descienda el mercurio y debemos agitarlo para que lo haga. Las principales ventajas son: la rapidez con que responde a los cambios de temperatura y que es fácil verlo en el tubo sin tenerlo que colorear.

9 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Contesta a las cuestiones que vayan apareciendo en la pantalla. 3 ¿Por qué al atardecer la temperatura del agua de una piscina o del mar puede ser más alta que la temperatura del aire? El agua tiene una capacidad calorífica específica mucho mayor que la del aire por lo que mantiene más tiempo su temperatura. ¿Por qué las islas y regiones costeras tienen climas más templado que regiones del interior? Por su elevada capacidad calorífica, el agua acumula energía durante el día y la emite durante la noche actuando como un moderador del clima.

10 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Si utilizamos el mismo calentador, ¿qué se calentará más deprisa? 500 g de agua c=4.180 J./º.kg 500 g de alcohol c=2.430 J./º.kg Si utilizamos el mismo calentador, ¿qué se calentará más deprisa? 500 g de agua c=4.180 J/ºC.kg 500 g de alcohol c=2.430 J/ºC.kg Si utilizamos el mismo calentador, ¿qué se calentará más deprisa? 500 g de agua 1 kg de agua Si utilizamos el mismo calentador, ¿qué se calentará más deprisa? 500 g de agua 1 kg de agua Elige en cada caso planteado la opción correcta y escribe una pequeña explicación: 4 La energía transferida es directamente proporcional a la masa. Para alcanzar la misma temperatura, hará falta menos energía -y por lo tanto costará menos tiempo- en el caso de la masa menor de agua. La energía transferida es directamente proporcional a la capacidad calorífica específica. Para alcanzar la misma temperatura, hará falta menos energía- y por lo tanto costará menos tiempo- en el caso del alcohol, que tiene menor capacidad calorífica.

11 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Transferir 5000 J a 10 g de agua Transferir 5000 J a 10 g de aceite ¿Qué eleva más la temperatura? Elige en cada caso planteado la opción correcta y utiliza la fórmula apropiada para hacer el cálculo que justifique tu elección. 5 q = m.c (T 2 -T 1 ) 0, > 0, J > J q = m.c (T 2 -T 1 ) T 2 -T 1 =q/m-c 5000/(0, ) > 5000/(0, ) 205,8 ºC > 119,6 ºC ¿Qué necesita más energía? Aumentar 20 ºC la temperatura de 500 g de agua Aumentar 30 ºC la temperatura de 200 g de agua

12 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Un calentador eléctrico de 200 W de potencia se sumerge en 2,0 kg de agua a 20 ºC. ¿Qué temperatura alcanzará el agua a cabo de 5 minutos de haberlo conectado? 6 Calcula la energía transmitida por el calentador a partir de la potencia de éste y del tiempo que está conectado. E = P.t E = 200W.5 min.60 s/min = J Utiliza la expresión de la energía térmica transferida. Q = m.c (T 2 -T 1 ) J = 2,0 kg.4180 J/(ºC.kg).(T 2 -20)ºC = 8360 T 2 – T 2 = /8360 = 27,2 ºC

13 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Un bloque de cobre de 10 kg se enfría de 100 ºC a 20 ºC mediante un baño de agua, ¿qué cantidad de energía es transferida al agua? 7 T<20ºC T=100ºC T=20ºC Consulta en la ayuda la capacidad calorífica específica del cobre c = 380 J/(ºC.kg) Aplica la ley del equilibrio térmico E cedida por el cobre = E ganada al baño de agua m.c (T 2 -T 1 ) = E ganada al baño de agua

14 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Se necesita 445 J para elevar la temperatura de una pieza de cierto metal de 50 g de masa, desde 20 ºC hasta 30 ºC. (a) Calcula la capacidad calorífica específica del metal y consulta la tabla para ver de qué metal se trata. (b) Si ponemos el metal, que se encuentra a 30 ºC, en un baño de agua a temperatura inferior a 20 ºC, ¿qué energía térmica se transferirá al agua hasta que ambos, metal y agua, se queden a 20 ºC? 8 T=20ºC q = m.c (T 2 -T 1 ) c = q/(m.(T 2 -T 1 )) c = 445 J/(0,05 kg.10 ºC) c = 890 J/kg.ºC Consulta de qué metal se trata. Es aluminio, su capacidad calorífica específica coincide con la calculada. Aplica la fórmula apropiada. (a)(b) Recuerda que la energía se conserva en cualquier proceso. Para enfriarse de 30 ºC a 20 ºC transferirá al agua la misma energía que necesitó para calentarse de 20 ºC a 30 ºC, es decir, 445 J. T=30ºC T=20ºC ENERGÍA

15 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Tenemos una bañera con 100 litros de agua caliente a 50 ºC y la queremos enfriar hasta 28 ºC. ¿Qué cantidad de agua fría, a 15 ºC, tendremos que añadir? 9 Aplica la ley del equilibrio térmico. Recuerda que la densidad del agua es: 1 kg/l E. cedida por el agua caliente = E. ganada por el agua fría m 1.c (T 1 -T f )= m 2.c (T f -T 2 ) 100 kg.4180 J/(ºC.kg).(50-28) ºC = m J/(ºC.kg).(28-15) ºC Simplificamos el factor 4180, que está en los dos miembros, y queda: 2200 = 13 m 2 ; m 2 = 2200/13 = 169 kg A esta masa le corresponde el volumen: V 2 = m 2 /d = 169 l

16 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Un calorímetro contiene 550 g de agua a 23,8 ºC. Se añade 100 g de plomo a la temperatura de 98,2 ºC. Alcanzado el equilibrio térmico, la temperatura de la mezcla es de 24,2 ºC. Halla la capacidad calorífica específica del plomo. 10 Representa mediante un diagrama las magnitudes implicadas en el proceso descrito. m 1 = 0,1 kg c 1 = ? T 1 = 98,2 ºC PLOMO m 2 = 0,55 kg c 2 = 4180 J/(ºC.kg) T 2 = 23,8 ºC AGUA T eq = 24,2 ºC Aplica la condición matemática del equilibrio térmico. m 1.c 1 (T 1 -T eq )= m 2.c 2 (T eq -T 2 ) 0,1 kg · c 1 · (98,2-24,2) ºC = 0,55 kg · 4180 J/(ºC.kg) · (24,2-23,8) ºC 7,4 c 1 = 919,6 ; Representa mediante un diagrama las magnitudes implicadas en el proceso descrito.

17 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Para determinar la capacidad calorífica específica del aluminio, una estudiante de 4º C toma una muestra de aluminio de 30 g y la calienta sumergiéndola en un baño de agua hirviendo. Al cabo de unos minutos, saca la muestra del baño y la introduce rápidamente en un vaso Dewar que contiene 100 g de agua a 18 ºC. Observa que, cuando se alcanza el equilibrio térmico, la temperatura es de 23 ºC. ¿Cuál es la capacidad calorífica específica del aluminio? 11 Aplica la condición matemática del equilibrio térmico. m 1.c 1 (T 1 -T eq )= m 2.c 2 (T eq -T 2 ) 0,03 kg · c 1 · (100-23) ºC = 0,1 kg · 4180 J/(ºC.kg) · (23-18) ºC 2,31 c 1 = 2090 ; Deduce del enunciado cuál es la temperatura inicial del aluminio y representa mediante un diagrama las magnitudes implicadas en el proceso descrito. m 1 = 0,03 kg c 1 = ? T 1 = 100 ºC ALUMINIO m 2 = 0,1 kg c 2 = 4180 J/(ºC.kg) T 2 = 18 ºC AGUA T eq = 23 ºC

18 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Diego ha comprado, por poco dinero, un anillo de oro de 50 g de masa. Como no está seguro de la pureza de la sortija, diseña y realiza el siguiente experimento, que él mismo relata: Calenté el anillo hasta que alcanzó una temperatura de 400 ºC y la sumergí en 100 g de agua a 20 ºC, contenida en un calorímetro. Anoté que la temperatura de equilibrio era de, aproximadamente, 26 ºC. Después …. ¿Qué opinas de la calidad del anillo? DATO: c oro = 130 J/(kg.ºC). 12 Aplica la condición matemática del equilibrio térmico. m 1.c 1 (T 1 -T eq )= m 2.c 2 (T eq -T 2 ) 0,05 kg · c 1 · (400-26) ºC = 0,1 kg · 4180 J/(ºC.kg) · (26-20) ºC 18,7 c 1 = 2508 ; Como la capacidad calorífica específica experimental difiere de la capacidad calorífica específica real, hay que concluir que el anillo es de mala calidad. Representa mediante un diagrama las magnitudes implicadas en el proceso descrito. m 1 = 0,05 kg c 1 = ? T 1 = 400 ºC ORO m 2 = 0,1 kg c 2 = 4180 J/(ºC.kg) T 2 = 20 ºC AGUA T eq = 26 ºC ¿Qué magnitud, con los datos que tienes, calcularías para analizar la calidad del anillo? Existe dos posibilidades: Calcular la capacidad calorífica específica del oro y compararla con la real. Utilizar la capacidad calorífica específica real del oro para calcular la temperatura de equilibrio y compararla con el correspondiente dato del enunciado. Nosotros seguiremos la primera.

19 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química La temperatura adecuada para un baño templado es de 40 ºC. Si el agua del calentador se encuentra a una temperatura de 70 ºC y el agua de la canilla está a 18 ºC, calcula la masa de agua que habrá que utilizar de cada clase para preparar un baño templado de 60 litros. 13 m 1 = ? c 1 = 4180 J/(ºC.kg) T 1 = 70 ºC AGUA m 2 = ? c 2 = 4180 J/(ºC.kg) T 2 = 18 ºC AGUA T eq = 40 ºC La masa del baño de 60 litros es de 60 kg. Plantea el sistema de ecuaciones adecuado para la resolución del ejercicio. El sistema de ecuaciones que hay que resolver es: m 1.c 1 (T 1 -T eq )= m 2.c 2 (T eq -T 2 )m 1 ·(70-40) = m 2 ·(40-18) m 1 + m 2 = 60m 1 + m 2 = 60 De la 2ª ecuación, m 1 = 60 - m 2 ; sustituyéndola en la 1ª ecuación queda: 30·(60-m 2 ) = 22m 2 ; 1800–30m 2 = 22m 2 ; 1800 = 52m 2 ; m 2 = 1800/52 = 34,6 kg. Finalmente, m 1 = 60-34,6 = 25,4 kg. Hay que mezclar 25,4 kg de agua caliente con 34,6 kg de agua fría. Representa mediante un diagrama las magnitudes implicadas en el proceso descrito.

20 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química En un recipiente que contiene 50 kg de agua a 20 ºC se introduce un bloque de acero de 5 kg a 100 ºC. ¿Cuál será la temperatura final de la mezcla si el recipiente no recibe ni cede calor? 14 m 1 = 5 kg c 1 = 500 J/(ºC.kg) T 1 = 100 ºC ACERO m 2 = 50 kg c 2 = 4180 J/(ºC.kg) T 2 = 20 ºC AGUA T eq = ? Aplica la condición matemática del equilibrio térmico. m 1.c 1 (T 1 -T eq )= m 2.c 2 (T eq -T 2 ) 5 kg · 500 J/(ºC.kg) · (100-T eq ) ºC = 50 kg · 4180 J/(ºC.kg) · (T eq -20) ºC Podemos simplificar el factor 500, quedando: 5·(100-T eq ) = 418·(T eq -20); 500 – 5T eq = 418T eq – 8360; 8860 = 423T eq ; Representa mediante un diagrama las magnitudes implicadas en el proceso descrito. Utiliza la ayuda.

21 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Explica mediante la teoría cinético-molecular por qué los cuerpos se dilatan cuando su temperatura aumenta. 15 Recuerda el concepto microscópico de temperatura. A mayor temperatura mayor energía cinética media de las partículas. Las partículas de todos los cuerpos, en cualquiera de los estados de agregación: sólido líquido o gas, al experimentar un aumento de temperatura, aumentan su energía cinética media y con ello la amplitud de sus movimientos, aumentando la separación entre ellas.

22 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química En los casos que vayan apareciendo en la pantalla, di qué tipo de problema puede causar la dilatación por aumento de temperatura y cómo puede solucionarse. 16 Los materiales de construcción de un puente Problema: En verano pueden deformarse, agrietarse e incluso romperse Solución: Dejar espacios libres en las estructuras (juntas de dilatación) como las que se ven en la figura. Gas propulsor de un aerosol Problema: A altas temperaturas pueden explotar Solución: Advertir en el etiquetado a la temperatura máxima que pueden exponerse Tª máx. 50ºC

23 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Explica el funcionamiento de un termómetro bimetálico. 17 Haz clic para ver un esquema de un termómetro bimetálico. Lámina bimetálica: dos láminas de metales diferentes unidas longitudinalmente. Ahora explica cómo funciona. Uno de los metales de la lámina tiene un coeficiente de dilatación mayor que el otro, al aumentar la temperatura, la lámina se dobla hacia uno de los lados, se enrolla la espiral y la aguja señala la temperatura correspondiente en la escala. Al bajar la temperatura, sucede lo contrario.

24 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Explica, por medio de la teoría cinético-molecular, lo que ocurre cuando calentamos el extremo de una barra metálica. 18 Calor Haz un dibujo que represente el estado de movimiento de las partículas de un sólido a una cierta temperatura. ¿Qué ocurrirá al calentar un extremo? Las partículas están muy próximas y están vibrando con una cierta amplitud. Las partículas del extremo que se calienta empiezan a vibrar con mayor rapidez; esa vibración se transmite por choques a las partículas contiguas, que están muy próximas, hasta llegar a las que están en el extremo opuesto. El resultado es que las distancias promedio entre las partículas son mayores.

25 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química ¿Por qué notamos más fríos los objetos metálicos que los que no lo son, a pesar de que todos tienen la misma temperatura? 19 Un metal es buen conductor del calor y conduce la energía que proviene de nuestro cuerpo, puesto que éste está a temperatura más elevada normalmente que la del ambiente. La zona de la piel en contacto con el metal la sentimos fría porque la energía fluye con rapidez de esta zona hacia el metal. La madera, por ejemplo, es un mal conductor y la energía que proviene de nuestro cuerpo fluye con dificultad a través de ella concentrándose en la zona de contacto entre la piel y el objeto, que alcanza una temperatura próxima a la de nuestro cuerpo, por lo que la sensación es cálida.

26 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química En un día de verano, a menudo sopla brisa desde el mar hacia la costa. Explica, con ayuda de dibujos, la causa de esta brisa y por qué cambia de dirección durante la noche. 20 Recuerda que el agua tiene una capacidad calorífica específica mayor que los materiales que forman la tierra. Durante el día, la temperatura de la tierra es mayor que la del agua y el aire caliente (en rojo) se eleva desde la tierra hacia el mar; al mismo tiempo, el aire frío (en gris) viene desde el mar hacia la tierra. Durante la noche sucede lo contrario: al tener el agua una capacidad calorífica específica mayor que los materiales que forman la tierra, la temperatura del agua es mayor que la de la tierra (ver ejercicio 3), el aire caliente se eleva desde el mar hacia la tierra y el aire frío viene desde la tierra hacia el mar.

27 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química ¿Qué mecanismos de transmisión se utilizan en una estufa eléctrica, en una estufa por convección y en un calefactor rápido? 21 Estufa eléctricaEstufa por convecciónCalefactor rápido En una estufa eléctrica el calor se transmite sobre todo por radiación desde la resistencia. Se potencia el efecto colocando una superficie reflectante cóncava tras la resistencia. En una estufa por convección, la resistencia está abajo, el aire se calienta y sale por arriba. Predomina pues la convección, además de la radiación de la resistencia. En una calefactor rápido se produce una corriente de aire calentado por una resistencia mediante un ventilador, predomina pues la convección, aunque es forzada. Dibuja y explica lo que ocurre en cada caso

28 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Señala en qué lugares de una casa tiene lugar la mayor pérdida de energía y cómo puede evitarse en parte. Paredes exteriores: Un centímetro de aislante equivale a medio metro de hormigón. Se debe utilizar un buen aislante, de un grosor adecuado. Las planchas de corcho natural son la mejor opción desde un punto de vista ecológico. Grosor mínimo recomendado: 5 cm. Suelos : También deben aislarse, salvo que sean de madera. Las alfombras y moquetas reducen las pérdidas de calor en invierno, con la posibilidad de poder quitarse en el buen tiempo. Techos: Las pérdidas más importantes se dan en el techo. El grosor del aislante debe ser el doble que en las paredes exteriores o más, si es posible. Ventanas: Siempre con cristal tipo climalit o similar. Las contraventanas interiores de madera, cortinas gruesas, persianas con aislante inyectado o similar serán imprescindibles para evitar pérdidas de calor en invierno o ganancias de calor en verano. Aleros exteriores sobre las ventanas o toldos evitarán el sol en verano. Paredes exteriores Suelos Techos Ventanas 22

29 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Explica cómo está construido un termo y por qué conserva calientes las bebidas. 23 Termo (vaso Dewar) Señala las partes esenciales en el dibujo. VacíoTapón aislanteDoble pared de vidrioSuperficie plateada Explica cómo influye este diseño en la conservación de la energía en su interior. El vacío no conduce el calor, la superficie plateada refleja la radiación térmica y hace que por sucesivas reflexiones no escape fuera del termo. De este modo se evitan las pérdidas por conducción y por radiación.


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