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Termodinâmica Aplicada Profa Dra. Simoni M. Gheno simoni.gheno@docente.unip.br Aulas 9 e 10 3ª feira (quinzenalmente) 19h10 as 20h25 e 20h45 as 22h00 intervalo: 20h25 as 20h45 mailto:Simoni.gheno@docente.unip.br Vamos relembrar? 2 Título é a razão entre a massa de vapor na mistura e a massa total da mistura vaporlíquido vapor mm m x + = ✓ A escala de variação do título está entre zero e um. ✓ Quanto maior a fração de líquido saturada, mais próximo do 0 o título estará. ✓ Quanto maior a fração de vapor saturada, mais próximo do 1 o título estará. 𝑚 = 𝑚𝑙 +𝑚𝑣 𝑚𝑙 é a massa do líquido 𝑚𝑣 é a massa do vapor. O mesmo pode ocorrer com o volume total (𝑉), ou seja, relaciona as frações do volume líquido (𝑉𝑙) e do volume de vapor (𝑉𝑙), 𝑉 = 𝑉𝑙 + 𝑉𝑣 Título (x) Profa. Dra. Simoni M. Gheno Observe que a equação do volume total pode ser reescrita em função do volume específico. O volume específico 𝑣 correlaciona massa e volume, Note que o título pode ser inserido nesta equação, afinal 𝑚𝑣 = 𝑥 ∙ 𝑚 𝑣𝑙𝑖𝑞 = 𝑉𝑙𝑖𝑞 𝑚𝑙𝑖𝑞 𝑣𝑣 = 𝑉𝑣 𝑚𝑣 v V m V m V m liq vap = = + 𝑣 = 𝑣𝑙 + 𝑥 ∙ 𝑣𝑣 − 𝑣𝑙 Sempre que a diferença entre as propriedades da fase gasosa (vapor) e da líquida sempre é rotulada pelo subíndice 𝑙𝑣. Muitas propriedades termodinâmicas podem ser encontradas em tabelas termodinâmicas Exemplo 1 Profa. Dra. Simoni M. Gheno Em um recipiente cilíndrico tem uma massa de 3 𝑘𝑔 de água saturada a 120℃, com título de 0,6. Determine o volume das frações líquido e vapor da água. A tabela a seguir contém dados importantes para a resolução do exemplo. Solução T (ºC) p(kPa) Volume Específico(m3/kg) Energia Interna (kJ/kg) Líquido Saturado Vapor Saturado Líquido Saturado Evapora ção Vapor Saturado vl vv ul ulv uv 120 198,5 0,001060 0,89186 503,48 2025,76 2529,24 Por onde começamos? São conhecidos: Massa = 3kg Temperatura da água= 120℃ Título=0,6 Precisamos calcular: VL Vv 𝑉𝐿 = 𝑣𝐿 𝑚𝐿 𝑣𝑣 = 𝑉𝑣 𝑚𝑣 𝑉𝑣 = 𝑣𝑣 𝑚𝑣 𝑣𝐿 = 𝑉𝐿 𝑚𝐿 Profa. Dra. Simoni M. Gheno Por definição, o título é uma razão da massa de vapor pela massa total. 𝑥 = 𝑚𝑣 𝑚 𝑚𝑣 = 𝑥 ∙ 𝑚 𝑚𝑣 = 0,6 ∙ 3𝑘𝑔 𝑚𝑣 = 1,8 𝑘𝑔 … continuação do exemplo 1 A fração da massa líquida será 𝑚 = 𝑚𝑙 +𝑚𝑣 𝑚𝑙 = 𝑚 −𝑚𝑣 𝑚𝑙 = 3𝑘𝑔 − 1,8𝑘𝑔 𝑚𝑙 = 1,2𝑘𝑔 Profa. Dra. Simoni M. Gheno … continuação do exemplo 1 Para definir o volume de cada fase, é necessário descobrir os volumes específicos do líquido e do vapor (Tabela). Para definir a propriedade, considera-se a tabela de água (líquido saturado) a 120℃ T (ºC) p(kPa) Volume Específico(m3/kg) Energia Interna (kJ/kg) Líquido Saturado Vapor Saturado Líquido Saturado Evapora ção Vapor Saturado vl vv ul ulv uv 120 198,5 0,001060 0,89186 503,48 2025,76 2529,24 Os valores para os volumes específicos são: 𝑣𝑙 = 0,001060 𝑚 3/𝑘𝑔 𝑣𝑣 = 0,89186 𝑚 3/𝑘𝑔 Assim, o volume da fração líquido será, 𝑉𝑙 = 𝑚𝑙 ∙ 𝑣𝑙 𝑉𝑙 = 1,2𝑘𝑔 ∙ 0,001060 𝑚3 𝑘𝑔 𝑉𝑙 = 0,00127 𝑚 3 Profa. Dra. Simoni M. Gheno … continuação do exemplo 1 T (ºC) p(kPa) Volume Específico(m3/kg) Energia Interna (kJ/kg) Líquido Saturado Vapor Saturado Líquido Saturado Evapora ção Vapor Saturado vl vv ul ulv uv 120 198,5 0,001060 0,89186 503,48 2025,76 2529,24 O volume da fração vapor será, 𝑉𝑣 = 𝑚𝑣 ∙ 𝑣𝑣 𝑉𝑣 = 1,8𝑘𝑔 ∙ 0,89186 𝑚3 𝑘𝑔 𝑉𝑣 = 1,605 𝑚 3 Terminada a revisão vamos retomar o conteúdo de Termodinâmica Básica! Energia Interna (U) Profa. Dra. Simoni M. Gheno Uma substância é composta por diversas moléculas que se movimentam a medida que a temperatura varia. A quantidade de energia térmica que uma substância possui é denominado energia interna (𝑈). Para a termodinâmica é muito comum trabalhar com variáveis específicas, como por exemplo, a energia interna específica (𝑢). Partindo da ideia do título e reproduzindo o desenvolvimento matemático realizado para o volume, a energia interna específica será definida por )𝑢 = 𝑢𝑙 + 𝑥(𝑢𝑣 − 𝑢𝑙 𝑢𝑙 indica a energia interna específica da fração líquida 𝑢𝑣 indica a energia interna específica da fração de vapor Como se trata de uma energia, a unidade utilizada para qualquer tipo de energia é o joule (𝐽). Porém, por se tratar de uma energia específica e como a unidade de joule é pequena, a unidade de energia interna específica será o quilo joule por quilograma (𝑘𝐽/𝑘𝑔). Exemplo 2 Profa. Dra. Simoni M. Gheno Considere um processo que ocorre a pressão constante, onde 0,7 𝑘𝑔 de água, que ocupa 3% da unidade de volume de um cilindro e está a 100℃, é aquecido até 300℃. Determine a variação da energia interna. A tabela a seguir contém dados importantes para a resolução do exemplo. T (ºC) P (kPa) Volume Específico(m3/kg) Energia Interna (kJ/kg) vl vv ul ulv uv 100 101,3 0,001044 1,6729 418,91 2087,58 2506,5 T (ºC) p=100kPa (45,81) v (m3/kg) u (kJ/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kgK) 300 2,63876 2810,41 3074,28 8,2157 Estado 1 Estado 2 Profa. Dra. Simoni M. Gheno Na primeira etapa do exemplo, deve-se determinar o valor do título. Para isso, o volume específico do estado inicial da água deve ser determinado. Observe que o volume da água será 3% de 1 𝑚3, ou seja, 0,03𝑚3. Solução 𝑣1 = 𝑉1 𝑚 = 0,03𝑚3 0,7𝑘𝑔 Considerando o estado 1 (100℃) 𝑣1 = 0,0428 𝑚 3/𝑘𝑔 Estado 1 T (ºC) P (kPa) Volume Específico(m3/kg) Energia Interna (kJ/kg) vl vv ul ulv uv 100 101,3 0,001044 1,6729 418,91 2087,58 2506,5 … continuação do exemplo 2 Profa. Dra. Simoni M. Gheno A partir da Tabela, os valores para os volumes específicos são: 𝑣𝑙 = 0,001044𝑚 3/𝑘𝑔 e 𝑣𝑣 = 1,6729𝑚3/𝑘𝑔. Note que o valor encontrado para o estado 1 está entre a fase líquida e a fase gasosa, ou seja, é uma mistura saturada. Assim, será necessário calcular o título. T (ºC) P (kPa) Volume Específico(m3/kg) Energia Interna (kJ/kg) vl vv ul ulv uv 100 101,3 0,001044 1,6729 418,91 2087,58 2506,5 … continuação do exemplo 2 𝑣1 = 𝑣𝑙 + 𝑥(𝑣𝑔 − 𝑣𝑙) 𝑥 = 0,025 𝑥 = 𝑣1 − 𝑣𝑙 (𝑣𝑔 − 𝑣𝑙) Reorganizando a equação e isolando o título. = 0,0428 − 0,001044 (1,6729 − 0,001044) Estado 1 Profa. Dra. Simoni M. Gheno T (ºC) P (kPa) Volume Específico(m3/kg) Energia Interna (kJ/kg) vl vv ul ulv uv 100 101,3 0,001044 1,6729 418,91 2087,58 2506,5 … continuação do exemplo 2 A partir da determinação do título, pode-se calcular a energia interna. Para água a 100℃, verifica-se que os valores da energia interna específica para a água será: 𝑢𝑙 = 418,91𝑘𝐽/𝑘𝑔 e 𝑢𝑙 = 2506,5 𝑘𝐽/𝑘𝑔. O valor acima define a energia interna para a mistura que se formou no estado 1. Para o estado 2, onde houve aquecimento até 300℃. 𝑢1 = 𝑢𝑙 + 𝑥(𝑢𝑣 − 𝑢𝑙) 𝑢1 = 418,91 𝑘𝐽 𝑘𝑔 + 0,025 2506,5 − 418,91 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑢1 = 471,10 𝑘𝐽 𝑘𝑔 Estado 1 Profa. Dra. Simoni M. Gheno … continuação do exemplo 2 A próxima etapa será calcular a energia interna no estado 2. T (ºC) p=100kPa (45,81) v (m3/kg) u (kJ/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kgK) 300 2,63876 2810,41 3074,28 8,2157 Estado 2 A energia interna específica para o estado 2 será retirada diretamente da Tabela: u2=2810,41kJ/kg. A variação da energia interna, ∆𝑈 = 𝑚(𝑢2 − 𝑢1) ∆𝑈 = 0,7𝑘𝑔 2810,41 − 471,10 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ∆𝑈 = 1638 𝑘𝐽 Entalpia (H) Profa. Dra. Simoni M. Gheno Máquinas térmicas são dispositivos que transformam a energia térmica em algum tipo de energia, por exemplo, uma turbina transforma a energia térmica do vapor em energia elétrica, através de um eixo rotativo. Sempre que um dispositivo envolve um fluido de trabalho, há o uso das propriedades termodinâmicas 𝑈 + 𝑝𝑉, a qual é definida como entalpia 𝐻 𝐻 = 𝑈 + 𝑝𝑉 Para fluido em escoamento, a entalpia indica toda a quantidade de energia útil em uma substância. Tanto a entalpia total H quando a entalpia específica h são chamadas apenas de entalpia, uma vez que o contexto esclarece qual deve ser usada. Exemplo 3 Profa. Dra. Simoni M. Gheno Considere um pistão que mantém3 kg de água saturada, a pressão constante, em um volume de 0,5 m3. Se a temperatura da água é aumentada de 45℃ para 700℃, qual será a variação da entalpia? O estado da água inicial é 45℃ O estado da água inicial é 700℃ Como as condições propostas UTILIZAREMOS as Tabelas termodinâmicas para cada estado? Solução Enunciado: ESTADO 1 ESTADO 2 Profa. Dra. Simoni M. Gheno O estado da água inicial é 45℃ Como as condições propostas UTILIZAREMOS as Tabelas termodinâmicas para cada estado? ESTADO 1 … continuação do exemplo 3 A entalpia da fração líquida será de h1=188,44 kJ/kg A pressão de saturação será, psat=9,593 kPa. Profa. Dra. Simoni M. Gheno Como as condições propostas UTILIZAREMOS a Tabela termodinâmica para esse estado? … continuação do exemplo 3 O estado da água inicial é 700℃ ESTADO 2 Qual é o estado 2? Algo no texto nos fala sobre isso? ... vamos entender melhor... Líquido? Líquido saturado? Mistura Bifásica? Vapor saturado? Vapor superaquecido? Profa. Dra. Simoni M. Gheno … continuação do exemplo 3 SUPONDO (apenas supondo) que não se sabe por onde começar e por isso busca-se a tabela de mistura saturada a 700℃ 1. 373,95 ℃ é a maior temperatura que a água pode se encontrar como mistura saturada 2. Nessa temperatura a pressão é 22,04MPa 3. O enunciado fala que o aquecimento da água ocorre a pressão constante Profa. Dra. Simoni M. Gheno … continuação do exemplo 3 Se o processo ocorre a pressão constante, então, a pressão será 9,593 kPa 1. Nessas condições a água não estará como mistura saturada 2. Estado termodinâmico será então vapor superaquecido 3. Vamos extrair a entalpia do estado 2 como vapor superaquecido a 700 ℃ e a 9,593 kPa (~0,01MPa). A entalpia será de h2=3929,9 kJ/kg Assim, a variação da entalpia será: ∆𝐻 = 𝑚(ℎ2 − ℎ1) ∆𝐻 = 3𝑘𝑔 3929,9 − 188,44 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ∆𝐻 = 11224,38 𝑘𝐽 Equação do Gás Ideal Profa. Dra. Simoni M. Gheno Qualquer equação que relacione pressão, temperatura e volume específico de uma substância é chamada de equação de estado. Existem várias equações de estado; algumas são simples, e outras, bastante complexas. A equação de estado para substâncias na fase gasosa mais simples e mais conhecida é a equação de estado do gás ideal. Essa equação prevê o comportamento P-v-T de um gás com bastante precisão dentro de uma determinada região. A seguir apresentaremos a equação de estado do gás ideal, ou simplesmente relação do gás ideal, e um gás que obedece a essa relação é chamado de gás ideal. P: pressão absoluta do gás, v: volume específico, R: constante do gás, T: temperatura absoluta. 𝒑𝒗 = 𝑹𝑻 Equação do Gás Ideal Profa. Dra. Simoni M. Gheno Cuidado ao trabalhar com a constante do gás 𝑅 . Um erro comum é utilizar a constante universal dos gases (𝑅𝑢) no lugar da constante do gás. Observe que a constante do gás será diferente para cada tipo de gás estudado. Assim, a relação entre as constantes mencionadas será, 𝑅 = 𝑅𝑢 𝑀 Para utilizar a massa molar de um gás, lembre-se que em um quilomol (kmol) de nitrogênio existe 28,01 kg, afinal a sua massa molar é 28,01. Utiliza-se a relação kmol – kg devido a constante universal dos gases, pois o seu valor é Ru=8,314 kJ/kmol∙K. Equação do Gás Ideal Profa. Dra. Simoni M. Gheno Ar - 28,97 Argônio Ar 39,95 Butano C4 H10 58,12 Dióxido de Carbono CO2 44,01 Monóxido de Carbono CO 28,01 Etano C2 H6 30,07 Etileno C2 H4 28,05 Hélio He 4,00 Hidrogênio H2 2,02 Metano CH4 16,04 Neon Ne 20,18 Nitrogênio N2 28,01 Octano C8 H18 114,23 Oxigêncio O2 32,00 Propano C3 H8 44,1 Vapor H2 O 18,02 Fómula Química Massa Molar Gases Ideais (298K) Gás Propriedades de alguns gases ideais a 25℃. (KROSS, 2015) Calor Específico a Volume Constante - Cv Profa. Dra. Simoni M. Gheno A grande maioria dos gases reais pode ser tratados como gás ideal, afinal é possível utilizar a lei do gás ideal em seu modelamento matemático. Sempre que um gás se comportar como um gás ideal, a energia interna pode ser escrita como, du = cvdT Integrando para dois estados específicos, através da variação da energia interna pode-se obter o calor específico a volume constante, cv. න u1 u2 du = න T1 T2 cvdT ቚu u1 u2 = ቚcvT T1 T2 ∆𝐮 = 𝐮𝟐 − 𝐮𝟏 = 𝐜𝐯(𝐓𝟐 − 𝐓𝟏) Calor Específico a Pressão Constante - Cp Profa. Dra. Simoni M. Gheno Integrando para dois estados específicos, através da variação da energia interna pode-se obter o calor específico a pressão constante, cv. න ℎ1 ℎ2 𝑑ℎ = න 𝑇1 𝑇2 𝑐𝑝𝑑𝑇 ቚℎ ℎ1 ℎ2 = ቚ𝑐𝑝𝑇 𝑇1 𝑇2 ∆𝒉 = 𝒉𝟐 − 𝒉𝟏 = 𝒄𝒑(𝑻𝟐 − 𝑻𝟏) A entalpia também pode ser definido em termo de duas propriedades, como por exemplo, a temperatura e a pressão, h(T,p). Assim, a variação da entalpia pode ser definida como, dh = cpdT Calor Específico Profa. Dra. Simoni M. Gheno Caso não seja possível ter acesso as informações da energia interna e da entalpia para os estados, pode-se escrever uma relação entre os calores específicos e a constante do gás. Para isto, considere a definição de entalpia, h = 𝑢 + 𝑝v Utilizando a definição da lei do gás ideal: 𝑝𝑉 = 𝑚𝑅𝑇 𝑝 𝑉 𝑚 = 𝑅𝑇 𝑝𝑣 = 𝑅𝑇 Dessa forma: h = 𝑢 + 𝑅𝑇 Dessa forma: dh = 𝑑𝑢 + 𝑅𝑑𝑇 Dividindo a equação da variação da entalpia pela variação da temperatura, obtém-se a relação entre calores específicos e a constante do gás, 𝑑ℎ 𝑑𝑇 = 𝑑𝑢 𝑑𝑇 + 𝑅 𝑑𝑇 𝑑𝑇 𝐜𝐩 = 𝐜𝐯 + 𝐑 Calor Específico para Fluidos Incompressíveis Profa. Dra. Simoni M. Gheno Os fluidos incompressíveis apresentam os mesmo calores específicos (𝐜𝐩 = 𝐜𝐯), ou seja, o volume específico não se altera durante todo o processo. Em termodinâmica será utilizado o calor específico a pressão constante (𝐜𝐩) porém para sólidos e líquidos é comum expressar apenas o calor específico (c). Para a água, utiliza-se 𝐜𝐩 =4184 J/kgK. A variação da energia interna, para muitas aplicações de líquidos e sólidos, pode ser expressa por, 𝑢2 − 𝑢1 = ℎ2 − ℎ1 = 𝑐(𝑇2 − 𝑇1) Calor Específico para Fluidos Incompressíveis Gás Peso molecular R (kJ/kg K) ρ (kg /m³ ) cp (kJ/kg K) cv (kJ/kg K) k Acetileno 26,038 0,3193 1,05 1,699 1,38 1,231 Água (vapor) 18,015 0,4615 0,0231 1,872 1,41 1,327 Ar 28,97 0,287 1,169 1,004 0,717 1,4 Amônia 17,031 0,4882 0,694 2,13 1,642 1,297 Argônio 39,948 0,2081 1,613 0,52 0,312 1,667 Butano 58,124 0,143 2,407 1,716 1,573 1,091 Dióxido de Carbono 44,01 0,1889 1,775 0,842 0,653 1,289 Monóxido de Carbono 28,01 0,2968 1,13 1,041 0,744 1,4 Etano 30,07 0,2765 1,222 1,766 1,49 1,186 Etanol 46,069 0,1805 1,883 1,427 1,246 1,145 Etileno 28,054 0,2964 1,138 1,548 1,252 1,237 Hélio 4,003 2,0771 0,1615 5,193 3,116 1,667 Hidrogênio 2,016 4,1243 0,0813 14,209 10,085 1,409 Metano 16,043 0,5183 0,648 2,254 1,736 1,299 Metanol 32,042 0,2595 1,31 1,405 1,146 1,227 Nitrogênio 28,013 0,2968 1,13 1,042 0,745 1,4 Óxido nítrico 30,006 0,2771 1,21 0,993 0,716 1,387 Óxido nitroso 44,013 0,1889 1,775 0,879 0,69 1,274 n-Octano 114,23 0,0727 0,092 1,7113 1,638 1,044 Oxigênio 31,999 0,2598 1,292 0,9216 0,662 1,393 Propano 44,094 0,1886 1,808 1,679 1,49 1,126 R-12 120,914 0,06876 4,98 0,616 0,547 1,126 R-22 86,469 0,09616 3,54 0,658 0,562 1,171 R-32 52,024 0,1598 2,125 0,822 0,662 1,242 R-125 120,022 0,06927 4,918 0,791 0,722 1,097 R-134a 102,03 0,08149 4,2 0,852 0,771 1,106 Equação de Estado de um Gás Ideal Profa. Dra. Simoni M. Gheno Escrevendo a dos gases ideais duas vezes para uma massa fixa e simplificando, temos a seguinte relação entre as propriedades de um gás ideal em dois estados diferentes Nesse caso, a relação do gás ideal se aproxima bastante do comportamento P-v-T dos gases reais a baixas densidades. A baixas pressões e altas temperaturas, a densidade de um gás diminui, e, nessas condições, ele se comporta como um gás ideal. 𝑷𝟏𝑽𝟏 𝑻𝟏 = 𝑷𝟐𝑽𝟐 𝑻𝟐 Exemplo 4 Profa. Dra. Simoni M. Gheno Em uma pequena sala de análise de substâncias biológicas há 12 kg de oxigênio. A sala apresenta 1 m de comprimento, 90 cm de largura e 2,5 mde altura. Determine a pressão da sala, caso a sua temperatura seja de 25℃. Dado: RO2 = 0,260kJ/kgK Solução Observe que a massa, as dimensões da sala e a temperatura foram informadas no enunciado, indicando a escolha da equação da lei do gás ideal que correlacione todas as variáveis apresentadas (massa, volume e temperatura) e requerida (pressão). A temperatura em ℃ deve ser convertida para a temperatura absoluta (K): 𝑇𝐾 = 𝑇𝐶 + 273 𝑇𝐾 = 25 + 273 𝑇𝐾 = 298𝐾 O volume da sala também precisa ser determinado: 𝑉 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 ∙ 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑢𝑟𝑎 ∙ 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑉 = 0,90𝑚 ∙ 1𝑚 ∙ 2,5𝑚 𝑉 = 2,25 𝑚3 Nome da disciplina 31 Com todas as informações calculadas, pode-se definir a pressão requerida, 𝒑𝒗 = 𝑹𝑻 𝑝 𝑉 𝑚 = 𝑅𝑇 𝑝𝑉 = 𝑚𝑅𝑇 𝑝 = 𝑚𝑅𝑇 𝑉 𝑝 = 12𝑘𝑔 0,260 𝑘𝐽 𝑘𝑔𝐾 298𝐾 2,25𝑚3 𝑝 = 413,2𝑘𝑃𝑎 [𝑝] = 𝑘𝐽 𝑚3 [𝑝] = 𝑘𝑁.𝑚 𝑚3 [𝑝] = 𝑘𝑁 𝑚2 [𝑝] = 𝑘𝑃𝑎 [𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠] … continuação do exemplo 4 Exemplo 5 Profa. Dra. Simoni M. Gheno Em um recipiente de 5 m3 é preenchido com 30 kg de nitrogênio a 450℃. Determine a pressão total do recipiente utilizando. Dado: RO2 = 0,296kJ/kgK Solução Aplicando o primeiro modelo estudado, a lei do gás ideal, verifica-se que a pressão será, A temperatura em ℃ deve ser convertida para a temperatura absoluta (K): 𝑇𝐾 = 𝑇𝐶 + 273 𝑇𝐾 = 450 + 273 𝑇𝐾 = 723𝐾 𝑝𝑉 = 𝑚𝑅𝑇 𝑝 = 𝑚𝑅𝑇 𝑉 𝑝 = 30𝑘𝑔 ∙ 0,296 𝑘𝐽 𝑘𝑔𝐾 ∙ (723𝐾) 5𝑚3 𝑝 = 1284𝑘𝑃𝑎 Profa. Dra. Simoni M. Gheno Vamos testar o conhecimento utilizando um quiz? 5º QUIZ ! https://forms.office.com/r/GnYzurxtn6
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