第十四章 第3节 热力学定律与能量守恒定律-【高考DNA解码】2026年高考物理一轮总复习学生用书word（江苏专用）

第3节　热力学定律与能量守恒定律 链接教材·夯基固本 梳理·必备知识 一、1．(1)做功　2．(1)热量　(2)Q＋W　(3)吸收　增加　放出　减少 二、1．转化　转移　总量　3．能量守恒 三、1．(1)自发地　(2)不产生　二　2．无序性　3．热力学第二定律 激活·基本技能 一、(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√ 二、1．A　[由热力学第二定律可知，一切自发进行的与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，A不能发生；热机的工作效率不可能达到100%，B可以发生；泥沙下沉，系统的重力势能减少，没有违背热力学第二定律，C可以发生；冰箱通过压缩机的工作，把热量从低温物体传到高温物体，该过程消耗了电能，没有违背热力学第二定律，D可以发生。] 2．D　[上浮过程气泡内气体的温度不变，内能不变，故A错误；气泡内气体压强p＝p0＋ρ水gh，故上浮过程气泡内气体的压强减小，故B错误；由玻意耳定律pV＝C知，气体的体积变大，故C错误；上浮过程气体体积变大，气体对外做功，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，气体从水中吸热，故D正确。] 3．A　[根据＝C可知p＝CT·，则在p-图像中斜率越大，则温度越高，则气体由状态A等压变化到状态B的过程中，气体温度升高，内能增加，体积变大，对外做功，根据热力学第一定律可知，气体吸收热量，故A正确。] 细研考点·突破题型 考点1 典例1　C　[由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，若物体放出热量，但外界对物体做正功，则ΔU不一定为负值，即内能不一定减小，故A项错误；同理可分析出，B项和D项错误，C项正确。] 典例2　C　[初始时汽缸开口向上，活塞处于平衡状态，汽缸内外气体对活塞的压力差与活塞的重力平衡，设初始时汽缸内的压强为p1，活塞的面积为S，则有p1S－p0S＝mg，汽缸在缓慢转动的过程中，汽缸内外气体对活塞的压力差大于重力沿汽缸壁的分力，故汽缸内气体缓慢的将活塞往外推，最后汽缸水平，缸内气压等于大气压。汽缸、活塞都是绝热的，故缸内气体与外界没有发生热交换，汽缸内气体将活塞往外推，气体对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W得，气体内能减小，故缸内理想气体的温度降低，分子热运动的平均速率减小，故速率大的分子数占总分子数的比例减小，并不是所有分子热运动的速率都减小，故A、B、D错误，C正确。] 典例3　B　[气体初状态的压强为p1＝p0－＝8.0×104 Pa，故A错误；气体初状态体积V1＝Sh1，温度T0＝300 K，气体末状态压强p2＝p0＋＝1.2×105 Pa，体积V2＝Sh2，根据理想气体状态方程＝，代入数据解得T乙＝315 K，即42 ℃，故B正确；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知ΔU＝120 J－20 J＝100 J，即气体内能增加 100 J，故C错误；因为温度升高，气体分子的平均速率增大，体积减小，气体分子密度增大，所以气体分子单位时间对单位面积器壁的撞击次数增多，故D错误。] 典例4　B　[U＝Ffx＝60×10 J＝600 J，Ek＝Fx－U＝80×10 J－600 J＝200 J，B正确。] 考点2 典例5　C　[可把汽缸内的气体看成理想气体，当活塞压缩气体时，气体温度要发生变化，根据＝C可知，只有当气体的温度不变时，气体的压强才与体积成反比，故A错误；气体膨胀时，气体压强要发生变化，根据＝C可知，只有当气体的压强不变时，气体的体积才与热力学温度才成正比，故B错误；发动机工作时，气体从外界吸收热量温度升高，内能增加，且气体同时对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知吸收的热量大于对外做的功，故C正确；根据热力学第二定律可知，气体不可能从单一热源吸热并全部用来对外做功而不引起其他变化，故D错误。] 典例6　D　[第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可能等于0，C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，D正确。] 典例7　B　[根据题目描述可知，A端为冷端，B端为热端，因此A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的，但气体的质量未知，所以无法确定气体内能的大小关系，故B正确，A、C错误；该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，冷热气体接触的部分会发生传热，因此也满足热力学第二定律，故D错误。] 典例8　解析：(1)热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故D项错误；由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故B项正确，A、C项错误。 (2)由热力学第一定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多。 答案：(1)B　(2)见解析 考点3 典例9　C　[由于a→b的过程为等温过程，即状态a和状态b温度相同，分子平均动能相同，对于理想气体，状态a的内能等于状态b的内能，故A错误；由于状态b和状态c体积相同，且pb<pc，根据理想气体状态方程＝，可知Tb<Tc，又因为Ta＝Tb，故Ta<Tc，故B错误；因为a→c过程气体体积增大，气体对外界做功，而气体温度升高，内能增加，根据ΔU＝W＋Q，可知气体吸收热量，故C正确，D错误。] 典例10　D　[在状态A时的压强为pA＝p0＋，解得m＝2 kg，A错误；根据盖-吕萨克定律有＝，解得VB＝8.0×10-3 m3 ，B错误；从状态A变化到状态B的过程，气体对外界做功，大小为W＝pA(VB－VA)＝206 J，C错误；从状态A变化到状态B的过程，气体的内能增加ΔU＝Q－W＝500 J－206 J＝294 J，D正确。] 典例11　B　[由ac的延长线过原点O知，直线Oca为一条等容线，气体在a、c两状态的体积相等，选项A错误；理想气体的内能由其温度决定，故在状态a时的内能大于在状态c时的内能，选项B正确；过程cd是等温变化，气体内能不变，由热力学第一定律知，气体对外放出的热量等于外界对气体做的功，选项C错误；过程da气体内能增大，从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，选项D错误。] 考点4 典例12　解析：(1)被封闭气体的初状态为p1＝p0＝1.0×105 Pa，V1＝LS＝42 cm3，T1＝280 K 末状态压强p2＝p0＋＝1.05×105 Pa，V2＝L2S，T2＝T1＝280 K 根据玻意耳定律，有p1V1＝p2V2，即p1LS＝p2L2S， 解得L2＝20 cm。 (2)对气体加热后，气体的压强不变，p3＝p2，V3＝L3S，T3＝350 K 根据盖-吕萨克定律，有＝，即＝， 解得L3＝25 cm。 (3)外界对气体做的功为 W＝－p2SΔL＝－p2S(L3－L2)＝－1.05 J 根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W 解得ΔU＝10 J＋(－1.05 J)＝8.95 J 即气体的内能增加了8.95 J。 答案：(1)20 cm　(2)25 cm　(3)8.95 J 典例13　解析：(1)活塞移动时受力平衡p1S＝p0S＋Ff 外界对气体做功W＝－p1SL 根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W 解得ΔU＝Q－(p0S＋Ff)L。 (2)活塞发生移动前为等容过程，有＝ 活塞向右移动了L为等压过程，有＝ 且V2＝2V1 解得T＝T0。 答案：(1)Q－(p0S＋Ff)L　(2)T0 典例14　解析：(1)气体从状态A变化到状态B发生的是等压变化，则 ＝ 由题图2可知VA＝4×10-4 m3，VB＝6×10-4 m3，TB＝4.5×102 K 解得TA＝300 K 开始时，缸内气体压强 pA＝p0＋＝1.5×105 Pa 气体从状态B变化到状态C，发生等容变化，则 ＝ pB＝pA 解得pC≈2.67×105 Pa。 (2)气体从A到B过程外界对其做功为 W＝－pA(VB－VA)＝－30 J 根据热力学第一定律，整个过程汽缸内气体内能的增加量为ΔU＝Q＋W＝60 J。 答案：(1)300 K　2.67×105 Pa　(2)60 J 学科网（北京）股份有限公司 $$ 　热力学定律与能量守恒定律 一、热力学第一定律 1．改变物体内能的两种方式 (1)________；(2)传热。 2．热力学第一定律 (1)内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的________与外界对它所做的功的和。 (2)表达式：ΔU＝________。 (3)正、负号法则： 物理量 W Q ΔU ＋ 外界对物体做功 物体____热量 内能____ － 物体对外界做功 物体____热量 内能____ 二、能量守恒定律 1．内容 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式________为其他形式，或者是从一个物体________到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的________保持不变。 2．条件性 能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的。 3．第一类永动机是不可能制成的，它违背了____________定律。 三、热力学第二定律 1．热力学第二定律的两种表述 (1)克劳修斯表述：热量不能________从低温物体传到高温物体。 (2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而________其他影响。或表述为“第______类永动机是不可能制成的”。 [温馨提示]　用熵的概念表述：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。 2．热力学第二定律的微观意义 一切自发过程总是沿着分子热运动的________增大的方向进行。 3．第二类永动机不可能制成的原因是违背了__________________。 一、易错易误辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)外界压缩气体做功20 J，气体的内能可能不变。 (　　) (2)给自行车打气时，发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热。(　　) (3)可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。 (　　) (4)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。 (　　) (5)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。 (　　) (6)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。 (　　) 二、教材习题衍生 1．(热力学第二定律的理解及应用)下列现象中不能够发生的是(　　) A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热 B．蒸汽机把蒸汽的内能部分转化成机械能 C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离 D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体 2．(热力学第一定律的应用)一个气泡从恒温水槽的底部缓慢上浮，将气泡内的气体视为理想气体，且气体分子个数不变，外界大气压不变。在上浮过程中气泡内气体(　　) A．内能变大 B．压强变大 C．体积不变 D．从水中吸热 3．(热力学第一定律与气体实验定律的综合应用)一定质量的理想气体，在温度T1和T2下的压强p与体积的倒数的关系图像如图所示，气体由状态A等压变 化到状态B的过程中，下列说法正确的是(　　) A．温度升高，吸收热量 B．温度升高，放出热量 C．温度降低，吸收热量 D．温度降低，放出热量 热力学第一定律与能量守恒定律 [典例1]　(热力学第一定律的理解)下列说法正确的是(　　) A．物体放出热量，其内能一定减小 B．物体对外做功，其内能一定减小 C．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加 D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变 [听课记录]　_________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ [典例2]　(热力学第一定律的应用)(2025·苏锡常镇四市调研)如图所示，内壁光滑的绝热汽缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体，初始时汽缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将汽缸缓慢转动90°过程中，缸内气体(　　) A．内能增加，外界对气体做正功 B．内能减小，所有分子热运动速率都减小 C．温度降低，速率大的分子数占总分子数比例减少 D．温度升高，速率大的分子数占总分子数比例增加 [听课记录]　_________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ [典例3]　(公式ΔU＝W＋Q中符号法则的理解)如图甲所示，圆柱形汽缸开口向下竖直放置，汽缸与活塞之间密封一定质量的理想气体，汽缸与活塞间无摩擦且不漏气，活塞面积S＝0.01 m2，质量m＝20 kg，气柱高度h1＝20 cm，气体温度T0＝300 K，外界大气压p0＝1.0×105 Pa。现把汽缸翻转开口向上放置，如图乙所示，气柱高度变为h2＝14 cm，在此过程中，外界对气体做功120 J，气体放出热量20 J，取g＝10 m/s2，则(　　) A．图甲状态，气体的压强为1.2×105 Pa B．图乙状态，气体的温度约为42 ℃ C．气体内能增加140 J D．气体分子单位时间对单位面积器壁的撞击次数减少 [听课记录]　_________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ [典例4]　(能量守恒定律的理解)木箱静止于水平地面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到地面的摩擦力为60 N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是(空气阻力不计)(　　) A．U＝200 J，Ek＝600 J B．U＝600 J，Ek＝200 J C．U＝600 J，Ek＝800 J D．U＝800 J，Ek＝200 J [听课记录]　_________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 　1．对热力学第一定律的理解 (1)做功和传热在改变系统内能上是等效的。 (2)外界对系统做功是其他形式能量与内能的转化。 (3)传热是外界与系统之间内能的转移。 2．热力学第一定律的三种特殊情况 (1)若过程是绝热的，则Q＝0，ΔU＝W，物体内能的增加等于外界对物体做的功。 (2)若过程中不做功，则W＝0，ΔU＝Q，物体内能的增加等于物体吸收的热量。 (3)若过程的始、末状态物体的内能不变，则W＋Q＝0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。 3．应用热力学第一定律的三点注意 (1)做功看体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正。气体向真空中自由膨胀，对外界不做功，W＝0。 (2)与外界绝热，则不发生传热，此时Q＝0。 (3)由于理想气体没有分子势能，所以当它的内能变化时，体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生的变化。 热力学第二定律的理解及应用 [典例5]　(热力学第一、第二定律的理解与应用)如图所示为斯特林发动机玩具，汽缸在酒精灯加热情况下，汽缸内的活塞往复运动，通过传动轴带动飞轮持续转动，则(　　) A．活塞压缩气体时，气体的压强与体积成反比 B．气体膨胀时，气体的体积与热力学温度成正比 C．发动机工作时，气体吸收的热量大于对外做的功 D．气体能从单一热源吸热并全部用来对外做功而不引起其他变化 [听课记录]　_________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ [典例6]　(两类永动机的比较)关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是(　　) A．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律 B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律 C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，传热也不一定改变内能，但同时做功和传热一定会改变内能 D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的 [听课记录]　_________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ [典例7]　(热力学第二定律的应用)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图所示，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是(　　) A．A端为热端，B端为冷端 B．A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的 C．A端流出的气体内能一定大于B端流出的 D．该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律 [听课记录]　_________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ [典例8]　(热力学第一、第二定律的综合考查)如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。 (1)下列说法正确的是________。 A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能 C．电冰箱的工作原理违反热力学第二定律 D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律 (2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ [听课记录]　_________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 　1．对热力学第二定律关键词的理解 在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的含义。 (1)“自发地”指明了传热等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助。 (2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。 2．热力学第二定律的实质 自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。如 3．两类永动机的比较 分类 第一类永动机 第二类永动机 设计要求 不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器 从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器 不可能制 成的原因 违背能量守恒定律 不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律 热力学第一定律与图像的综合应用 [典例9]　(热力学第一定律与p­V图像的综合)(2022·江苏卷)如图所示，一定质量的理想气体分别经历a→b和a→c两个过程，其中a→b为等温过程，状态b、c的体积相同，则(　　) A．状态a的内能大于状态b B．状态a的温度高于状态c C．a→c过程中气体吸收热量 D．a→c过程中外界对气体做正功 [听课记录]　_________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 　判断理想气体内能变化的两种方法 (1)一定质量的理想气体，内能的变化完全由温度变化决定，温度升高，内能增大。 (2)若吸、放热和做功情况已知，可由热力学第一定律ΔU＝W＋Q来确定。 [典例10]　(热力学第一定律与V­T图像的综合)如图甲所示，在竖直放置的圆柱形容器内用横截面积S＝的质量不计且光滑的活塞密封一定质量的气体，活塞上静止一质量为m的重物。图乙是密闭气体从状态A变化到状态B的V­T图像，密闭气体在状态A的压强pA＝1.03×105 Pa，从状态A变化到状态B的过程中吸收热量Q＝500 J。已知外界大气压强p0＝1.01×105 Pa，取g＝10 m/s2，下列说法正确的是(　　) A．重物质量m＝1 kg B．气体在状态B的体积为7.0×10-3 m3 C．从状态A变化到状态B的过程，气体对外界做功202 J D．从状态A变化到状态B的过程，气体的内能增加294 J [听课记录]　_________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ [典例11]　(热力学第一定律与p­T图像的综合)一定质量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其p­T 图像如图所示，其中对角线ac的延长线过原点O。下列判断正确的是(　　) A．气体在a、c两状态时的体积Va>Vc B．气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能 C．在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功 D．在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功 [听课记录]　_________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 热力学第一定律与气体实验定律的综合应用 [典例12]　(液柱类)如图所示，一根两端开口、横截面积为S＝2 cm2足够长的玻璃管竖直插入水银槽中并固定(插入水银槽中的部分足够深)。管中有一个质量不计的光滑活塞，活塞下封闭着长L＝21 cm 的气柱，气体的温度为t1＝7 ℃，外界大气压取p0＝1.0×105 Pa (相当于75 cm高汞柱压强)。 (1)若在活塞上放一个质量为m＝0.1 kg的砝码，保持气体的温度t1不变，则平衡后气柱为多长？(g取10 m/s2) (2)若保持砝码的质量不变，对气体加热，使其温度升高到t2＝77 ℃，此时气柱为多长？ (3)若在(2)过程中，气体吸收的热量为10 J，则气体的内能增加多少？ [听课记录]　_________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 　求解气体实验定律与热力学定律的综合问题的通用思路 [典例13]　(汽缸类)(2021·江苏卷)如图所示，一定质量理想气体被活塞封闭在汽缸中，活塞的横截面积为S，与汽缸底部相距L，汽缸和活塞绝热性能良好，气体的压强、温度与外界大气相同，分别为p0和T0。现接通电热丝加热气体，一段时间后断开，活塞缓慢向右移动距离L后停止，活塞与汽缸间的滑动摩擦力为Ff，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，整个过程中气体吸收的热量为Q，求该过程中气体： (1)内能的增加量ΔU； (2)最终温度T。 [听课记录]　_________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ [典例14]　(图像类)如图1所示，导热性能良好、内壁光滑的汽缸开口向上放置，其上端口装有固定卡环。质量为4.0 kg、面积为8.0 cm2的活塞将一定质量的理想气体封闭在缸内，开始时缸内封闭气体的体积为4×10-4 m3。现缓慢升高环境温度，使气体从状态A变化到状态C，缸内气体体积随温度变化的图像如图2所示，气体质量保持不变，已知大气压强为1.0×105 Pa，重力加速度g取10 m/s2。求： (1)开始时环境的温度及气体变化到状态C时压强(压强保留3位有效数字)； (2)若气体在整个过程中吸收的热量为90 J，则整个过程汽缸内气体内能的增加量为多少。 [听课记录]　_________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 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