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Leyes de la termodinámica

Leyes de la termodinámica

Leyes de la termodinámica

¿Alguna vez te has preguntado si la termodinámica tiene algo que ver con tu vida diaria? Trataremos de demostrar que sí, de hecho, la termodinámica y la manipulación de la energía térmica son muy importantes en las actividades diarias y fundamentales para llevar a cabo las funciones de tu cuerpo.

  • En este documento veremos una introducción a los tipos de sistemas utilizados en la termodinámica.
  • Pasaremos a una descripción general de las leyes de la termodinámica.
  • Tendremos una explicación de las leyes de la termodinámica
  • Veremos ejemplos relacionados con el mundo real como la hidrólisis de ATP.

Tipos de sistemas termodinámicos

Para definir los tipos de sistemas termodinámicos debemos definir también los estados termodinámicos y el universo.

Un cuerpo se encuentra siempre en un estado termodinámico concreto, que está confinado en el espacio por un contenedor que separa el cuerpo del entorno externo. El cuerpo contendrá necesariamente un gran número de partículas.

Un sistema termodinámico se podría definir como aquello que estamos estudiando en un momento específico; está completamente especificado por variables de estado, parámetros y constantes.

Un universo está formado por un sistema termodinámico y su entorno externo.

Existen tres tipos de sistemas termodinámicos:

  • Sistema termodinámico abierto: Parte o todo el material del entorno puede fluir hacia un sistema abierto; el calor también puede fluir a través de las paredes del recipiente de un sistema abierto.
  • Sistema termodinámico cerrado: El material del entorno externo no puede fluir hacia un sistema cerrado; sin embargo, el calor puede fluir a través de las paredes del recipiente de un sistema cerrado.
  • Sistema termodinámico aislado: El material del entorno no puede fluir hacia un sistema aislado; el calor no puede fluir a través de las paredes del recipiente de un sistema aislado.

Propiedades de los sistemas termodinámicos

Propiedades de los sistemas abiertos

  • Tienen paredes de contenedor que permiten intercambiar calor y partículas con el entorno.
  • En el equilibrio térmico, un sistema abierto no soporta una diferencia de temperatura entre él y el entorno.
  • Permiten el intercambio de materia con el entorno. Las paredes de los contenedores de los sistemas abiertos son permeables a al menos una o más de las sustancias químicas que provienen del entorno.

Propiedades de los sistemas Cerrados

  • Tienen paredes de contenedor que pueden intercambiar calor, pero no pueden intercambiar partículas con el entorno.
  • Los sistemas cerrados con un tipo de partícula (átomo o molécula) contendrán un número constante de partículas dentro del contenedor.
  • Para sistemas con más de un tipo de partículas, las reacciones químicas pueden transformar estas partículas en otras con diferentes masas, pero el número total de átomos que componen estas partículas permanecerá constante dentro del contenedor.

Propiedades de los sistemas aislados

  • Tienen paredes de contenedor que no permiten intercambiar calor ni partículas con el entorno.
  • No interactúan con el entorno de ninguna manera.

Las 4 leyes de la termodinámica

Para revisar las leyes que rigen la termodinámica primero daremos una definición básica de cada una de las 4 leyes y también del concepto de equilibrio térmico:

Dos objetos (sistemas cerrados) inicialmente a diferentes temperaturas, que están en contacto físico, llegan a estar a la misma temperatura si están en contacto durante un tiempo suficiente gracias al equilibrio térmico. Por lo tanto, el equilibrio térmico podría definirse como la equidad de temperaturas a la que llegan dos sistemas cerrados cuando están en contacto físico.

En la termodinámica existen cuatro leyes fundamentales:

  • La ley cero de la termodinámica: Cuando un sistema cerrado que se encuentra a una temperatura más alta interactúa con un sistema cerrado a una temperatura más baja, la energía en forma de calor se transfiere al sistema cerrado que está a una temperatura más baja hasta que se alcanza el equilibrio térmico.
  • La primera ley de la termodinámica: La energía total del universo permanece constante.
  • La segunda ley de la termodinámica: El desorden del universo, de un sistema y de su entorno, siempre aumenta por un proceso que ocurre naturalmente, es decir, sin el intercambio de materia o energía externa al sistema.
  • La tercera ley de la termodinámica: El desorden de un sistema se acerca a cero cuando la temperatura se acerca a cero.

En los siguientes apartados veremos en profundidad cada una de ellas.

Leyes de la termodinámica: Explicación

Ley cero de la termodinámica

Considera el siguiente experimento: Toma dos latas de tu bebida favorita, una la sacas de un congelador y la otro lo sacas de encima de una mesa de picnic que está expuesta a la luz del sol. Atas estas dos latas con un poco de cinta y esperas unos 30 minutos. ¿Qué piensas que sucederá? ¿Se calentarán más las dos latas, se enfriarán ambas o llegarán a la misma temperatura que está en algún punto intermedio?

Probablemente ya sepas la respuesta: las latas llegarán a la misma temperatura que está en algún lugar entre frío y calor. Esta observación se puede reformular de la siguiente manera:

  • Cuando un objeto a una temperatura más alta interactúa físicamente con un objeto a una temperatura más baja, el objeto a una temperatura más alta transfiere energía, en forma de calor, al objeto de temperatura más baja.
  • En ausencia de pérdidas al medio ambiente, los dos objetos, que están en contacto físico, llegarán a la misma temperatura.
  • Se dice que los objetos están en equilibrio térmico cuando ambos llegan a la misma temperatura.

El equilibrio térmico está relacionado con la Ley Cero de la Termodinámica a través de la siguiente declaración:

Si un cuerpo C, está en equilibrio térmico con otros dos cuerpos, A y B, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí". Max Planck - La teoría de la radiación de calor (1914).

Primera ley de la termodinámica

Para explicar la primera ley de la termodinámica explicaremos brevemente algunos conceptos relacionados con los sistemas termodinámicos:

El trabajo termodinámico es la energía en forma de trabajo que el sistema transfiere al entorno externo. Esta energía de trabajo provoca cambios en las variables macroscópicas del entorno, tales como: presión externa, volumen externo, temperatura externa, etc...

El estado termodinámico es la condición de un sistema termodinámico que está determinada por los parámetros del estado de equilibrio, como la presión del sistema, el volumen del sistema, la temperatura del sistema, etc... es decir, por las variables de estado que ya no cambian cuando se alcanza un estado de equilibrio termodinámico.

Ahora puede parecer extraño decir que "la energía total del universo permanece constante", según la primera ley de la termodinámica. Sin embargo, esta afirmación siempre es correcta y nunca se ha observado un fenómeno que viole esta ley en todo el universo. La primera ley de la termodinámica también se conoce como la ley de la conservación de la energía y puede expresarse matemáticamente como:

ΔU = Q - W

Donde:

  • ΔU es el cambio de energía interna en un sistema cerrado.
  • Q es la energía suministrada al sistema.
  • W es la cantidad de trabajo termodinámico realizado por el sistema sobre el entorno.
La energía interna (U), contenida dentro de un sistema termodinámico (sistema abierto, sistema cerrado y sistema aislado) es la energía que se utiliza para preparar o crear un estado termodinámico.

Observamos que la ley de la conservación de la energía (primera ley de la termodinámica) solo se refiere a la medida de la diferencia entre la energía interna final, Uf, y la energía interna inicial, Ui, de un sistema:

ΔU = Uf - Ui

  • La diferencia de energía interna, ΔU, se calcula entre un estado de referencia, Ui, (es decir, en condiciones estándar) y un estado termodinámico final, Uf.
  • Es un ejemplo de una función de estado termodinámica.
  • Una función de estado depende solo de los estados inicial y final y no se preocupa por el camino tomado por el sistema al pasar del estado inicial al estado final.

La energía suministrada al sistema, Q, es la energía transferida al sistema por el entorno externo. La siguiente tabla muestra los tipos de energías que provienen del entorno para varios sistemas termodinámicos:

Tipo de sistemaFlujo de masaFlujo de trabajoFlujo de calor
Sistema abiertoSiSiSi
Sistema cerradoNoSiSi
Sistema aisladoNoNoSi

El trabajo termodinámico, W, realizado por el sistema sobre el entorno externo puede provenir de cambios en el volumen del sistema, cambios en la temperatura del sistema que impulsa a otro sistema en el entorno y aumentos de presión en el sistema que se transfieren a los demás sistemas del entorno.

Segunda ley de la termodinámica

Comenzamos nuestra discusión de la Segunda Ley de la Termodinámica con una definición del desorden de un sistema:

La entropía, S, es una función de estado que calcula el desorden molecular de un sistema termodinámico.

Una función de estado es una función matemática que toma variables de estado como entrada para calcular una función de estado para estados de equilibrio. El calor instantáneo y el trabajo instantáneo no son funciones de estado sino funciones de proceso. Las variables de estado son variables independientes de la función de estado (como por ejemplo la energía interna, la entalpía, la temperatura del sistema...) y los cambios espontáneos son procesos que ocurren naturalmente, sin necesitar la entrada de materia o de energía en el sistema.

*Nota: Una función de estado es una fórmula matemática que toma una variable de estado como entrada y normalmente también incluye constantes y parámetros de estado de equilibrio. Por ejemplo, consideremos la ley de los gases ideales, donde queremos calcular el cambio de temperatura de un sistema termodinámico en equilibrio químico:

$$\Delta T=\frac{V\cdot \Delta P}{n\cdot R}$$

Supongamos además que para este sistema termodinámico particular, el volumen del sistema, V, y el número de moles, n, no cambian en el equilibrio. Así, el volumen y el número de moles para este estado termodinámico ya no varían sino que se han convertido en parámetros del sistema. Esto nos deja solo la presión del sistema, ΔP = Pf - Pi. En este caso, la presión del sistema es la variable de estado y se usa como entrada para calcular la función de estado para el cambio de temperatura, ΔT = Tf - Ti. Por último, R es la constante de los gases ideales.

Ahora consideremos la diferencia entre funciones de estado y funciones de proceso:

  • Una función de estado solo depende de los estados inicial y final y no se preocupa por el camino tomado por el sistema al pasar del estado inicial al estado final. Ejemplos de funciones de estado son la temperatura del sistema, la presión del sistema y el volumen.
  • Una función de proceso depende del camino tomado desde el estado inicial y el estado final. Ejemplos de funciones de proceso son el calor instantáneo y el trabajo instantáneo.

En este punto, ahora podemos formular matemáticamente la entropía de un cambio espontáneo en un sistema aislado:

Stot = Sf - Si > 0

Donde la entropía inicial del entorno y del sistema aislado es, Si, la entropía final del entorno y del sistema aislado es, Sf, y la entropía total del sistema y del entorno es, Stot. Observa que la diferencia de entropía es una función de estado.

En particular, para sistemas aislados que experimentan cambios espontáneos, la fórmula de la entropía es equivalente a la segunda ley de la termodinámica:

  • Segunda ley de la termodinámica: La entropía total del universo, del entorno y del sistema aislado, solo puede aumentar durante un proceso espontáneo:

Stot = Sf - Si > 0

Existen diferentes formas de la segunda ley de la termodinámica para diferentes sistemas y diferentes condiciones. Discutiremos algunos de estos en la sección "Ejemplos de las leyes de la termodinámica".

Tercera ley de la termodinámica

Finalmente, enunciamos la tercera ley de la termodinámica:

El cambio de entropía que acompaña a cualquier transformación física o química se acerca a cero cuando la temperatura se acerca a cero: ΔS → 0 cuando T → 0". Peter Atkins, Química Física, 1998.

Algunas de las implicaciones de la tercera ley de la termodinámica son:

  • Cuando la temperatura de un sistema termodinámico se acerca a cero Kelvin (-273ºC), la entropía del sistema también se acerca a cero y el movimiento de partículas en el sistema se detiene.
  • Cuando la entropía del sistema se acerca a cero, la energía cinética del sistema se acerca a cero.
  • Un sistema con entropía cero solo contiene energía potencial.

Leyes de la termodinámica: Ejemplos

La energía libre (G) es una medida de la capacidad de un sistema termodinámico para provocar cambios dentro del sistema. Este cambio, o trabajo útil, puede tomar la forma de fuerza motriz de una reacción química, un cambio de fase, un cambio en el calor absorbido por el sistema, etc.

La ecuación de energía libre de Gibbs se aplica a sistemas termodinámicos en equilibrio químico que también están a temperatura y presión constantes. Matemáticamente:

G = H - TS

Donde:

  • G: energía libre de Gibbs.
  • H: entalpía.
  • T: temperatura del sistema.
  • S: entropía del sistema.

La entalpía de formación (H) es equivalente a la energía potencial que se almacena como calor dentro de los enlaces químicos de un compuesto.

Al igual que con la entalpía (H) la energía libre de Gibbs y la entropía del sistema no se pueden medir directamente. Solo la diferencia en la energía libre de Gibbs se puede medir para cualquier sistema:

ΔG = ΔH - TΔS

Donde:

  • ΔG: diferencia de energía libre de Gibbs.
  • ΔH: diferencia de entalpía.
  • T: temperatura del sistema.
  • ΔS: diferencia de entropía del sistema.

Por lo tanto, la energía libre de Gibbs es una función de estado.

Hablemos un poco acerca de la energía libre de Gibbs asociada con la hidrólisis del trifosfato de adenosina (ATP)

  • El trifosfato de adenosina (ATP) es un bioquímico extremadamente importante.
  • Tu cuerpo se queda sin la energía liberada durante la hidrólisis de ATP que es catalizada por una variedad de enzimas en tu cuerpo (las enzimas son proteínas de los sistemas vivos que facilitan las reacciones bioquímicas).
  • De hecho, tu cuerpo produce e hidroliza aproximadamente su propio peso corporal en ATP todos los días en un esfuerzo por mantener su estado vital.

La energía libre de Gibbs estándar para la hidrólisis de ATP es:

ATP + H2O → ADP - OH + Pi + H+

donde los productos son difosfato de adenosina, ADP-OH, fosfato inorgánico, Pi, y un ion hidronio, H+. La energía libre de Gibbs liberada durante esta reacción es:

ΔG° = -31 kJ / mol

Ahora, podemos preguntar, "¿Por qué son importantes las leyes de la termodinámica?" La termodinámica muestra que la hidrólisis de ATP libera una gran cantidad de energía libre que el cuerpo utiliza para impulsar reacciones metabólicas que mantienen el estado de vida.

Leyes de la termodinámica - Enseñanzas más importantes

  • Ley cero de la termodinámica: "Si un cuerpo C está en equilibrio térmico con otros dos cuerpos, A y B, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí".
  • Primera ley de la termodinámica: la energía total del universo permanece constante.
  • Segunda Ley de la Termodinámica: la entropía total del universo, el entorno y el sistema aislado, solo puede aumentar durante un proceso espontáneo.
  • Tercera ley de la termodinámica: "El cambio de entropía que acompaña a cualquier transformación física o química se acerca a cero cuando la temperatura se acerca a cero: ΔS → 0 cuando T → 0".

Preguntas frecuentes sobre Leyes de la termodinámica

La ley cero de la termodinámica: Cuando un sistema cerrado a una temperatura más alta interactúa con un sistema cerrado a una temperatura más baja, la energía en forma de calor se transfiere al sistema cerrado que está a una temperatura más baja hasta que se alcanza el equilibrio térmico.


La primera ley de la termodinámica: La energía total del universo permanece constante


La segunda ley de la termodinámica:  El desorden del universo, de un sistema y de su entorno, siempre aumenta por un proceso que ocurre naturalmente, es decir, sin el intercambio de materia o energía externa al sistema.

La primera ley de la termodinámica: La energía total del universo permanece constante. Algunos ejemplos son:

  1. Un niño lanza una pelota al aire.

  2. En el momento en que sale de sus manos la pelota tiene velocidad, por lo tanto tiene energía cinética. Todavía no ha ganado altura, por lo tanto no tiene energía potencial.

  3. Mientras va subiendo pierde velocidad y gana altura. Pierde energía cinética y gana energía potencial.

  4. Cuando llega en el punto más alto, solo tiene energía potencial.

  5. Finalmente vuelve a bajar y las energías se vuelven a invertir.

  6. La suma total de la energía en el sistema nunca cambia.

Cuando se requiere calentar una habitación se puede utilizar un radiador que consiste en una resistencia que se calienta mediante corrientes eléctricas, una vez el radiador alcanza la temperatura deseada (digamos, 27°C) y nuestra habitación está a 18°C, el radiador aumentará la temperatura hasta que quede en un punto medio.


Cuando dejamos un cubo de hielo en un vaso con agua a 10°C el cubo recibirá energía en forma de calor desde el agua hasta alcanzar una temperatura media entre 0 y 10°C.

El aumento de la entropía de forma natural en el universo es una ley que indica que existen procesos que siempre van a llevarse de cierta manera con ciertos resultados independientemente de nuestra intervención sobre ellos, así es necesario vivir nuestra cotidianidad atentos a la fecha de vencimiento de los productos que usamos, a la caída de lluvia en un día caluroso o al cansancio que vivimos incluso cuando no realizamos ninguna actividad física relevante.

La tercera ley de la termodinámica: El desorden de un sistema se acerca a cero cuando la temperatura se acerca a cero.

ΔS → 0 cuando T → 0

Cuestionario final de Leyes de la termodinámica

Pregunta

Los procesos endotérmicos ______ energía en forma de calor.

Mostrar respuesta

Answer

Absorben.

Show question

Pregunta

Los procesos exotérmicos ______ energía en forma de calor.

Mostrar respuesta

Answer

Liberan.

Show question

Pregunta

Las reacciones químicas implican cambios en la energía potencial del sistema, que se transforma en:

Mostrar respuesta

Answer

Energía cinética molecular.

Show question

Pregunta

¿En qué unidades se mide la entalpía?

Mostrar respuesta

Answer

kJ mol-1 .

Show question

Pregunta

¿Cuándo se alcanza el equilibrio químico?

Mostrar respuesta

Answer

Se alcanza cuando una reacción reversible llega a un punto en el que no hay cambios en las concentraciones de reactivos y productos.

Show question

Pregunta

La energía total es la suma de:

Mostrar respuesta

Answer

La energía potencial y la energía cinética.

Show question

Pregunta

¿Cuál es el inconveniente que imposibilita el medir la energía interna de un sistema?

Mostrar respuesta

Answer

Que es imposible rastrear y medir simultáneamente la energía cinética de todas las partículas en un sistema.

Show question

Pregunta

El gran número de partículas que se manejan en un sistema termodinámico es la razón misma por la que se utilizan cantidades estadísticas en el cálculo de las funciones de estado termodinámicas, como la entalpía y la entropía.

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

El cambio de entalpía (∆H) es la cantidad de ______ transferida durante una reacción química.

Mostrar respuesta

Answer

Energía térmica.

Show question

Pregunta

En una reacción endotérmica la entalpía siempre:

Mostrar respuesta

Answer

Aumenta.

Show question

Pregunta

En una reacción exotérmica la entalpía siempre:

Mostrar respuesta

Answer

Disminuye.

Show question

Pregunta

El estado en el que la entalpía es máxima en un proceso de reacción se conoce como estado _______.

Mostrar respuesta

Answer

de transición.

Show question

Pregunta

¿Qué temperatura debe tener un sistema para que se considere en condiciones estandar?

Mostrar respuesta

Answer

25 °C.

Show question

Pregunta

¿Cuál es las siguientes es un tipo de cambio de entalpía estándar?

Mostrar respuesta

Answer

Cambio de la entalpía de reacción.

Show question

Pregunta

¿En qué reacción se considera el cambio de entalpía de sublimación?

Mostrar respuesta

Answer

En las reacciones donde una sustancia cambia de estado sólido a gaseoso.

Show question

Pregunta

En cuanto a una mayor organización en su estructura, se dice que con respecto a un sólido, un líquido es más: 

Mostrar respuesta

Answer

Desordenado.

Show question

Pregunta

¿Cómo se define la entropía? 

Mostrar respuesta

Answer

La entropía (S)  es una medida del desorden en un sistema termodinámico. También se define como el posible número de maneras en las que las partículas y su energía pueden ser distribuidas en un sistema.

Show question

Pregunta

Las unidades de la entropía son: 

Mostrar respuesta

Answer

J K-1 mol-1 

Show question

Pregunta

Cuando las moléculas pasan a moverse de una manera más libre y desordenada podemos asumir que: 

Mostrar respuesta

Answer

La entropía aumentó 

Show question

Pregunta

¿Cómo se define el calor específico?

Mostrar respuesta

Answer

La cantidad de energía que se requiere para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia.

Show question

Pregunta

La entropía total en una transición de estado será igual a ______ de las entropías de cambio de temperaturas y las de cambio de estado.

Mostrar respuesta

Answer

La suma.

Show question

Pregunta

Es característica de un sistema en el que aumenta el desorden: 

Mostrar respuesta

Answer

Entropía positiva

Show question

Pregunta

Es característica de un sistema en el que aumenta el orden: 

Mostrar respuesta

Answer

Entropía negativa.

Show question

Pregunta

En un sistema que reacciona la entropía total será igual a ______ de la entropía de productos y la de reactivos.

Mostrar respuesta

Answer

La diferencia.

Show question

Pregunta

Un valor típico que deben brindar para poder calcular la entropía en reacciones: 

Mostrar respuesta

Answer

Entropía estándar de los elementos.

Show question

Pregunta

Las condiciones para calcular las entalpías estándar de los elementos son: 

Mostrar respuesta

Answer

273 K y 1 atm.

Show question

Pregunta

La unidad que brinda información para determinar la entropía en un cambio de estado que se da sin cambiar de temperatura es el:

Mostrar respuesta

Answer

Calor de transición.

Show question

Pregunta

A medida que se aumenta la temperatura y se pasa de estado sólido a líquido y después gaseoso, el orden de los átomos o moléculas en la sutancia: 

Mostrar respuesta

Answer

Disminuye.

Show question

Pregunta

Para una reacción en la que cambia el número de moles a cada lado de la ecuación se puede decir que: 

Mostrar respuesta

Answer

Si hay más moléculas presentes, hay un aumento en el desorden del sistema, ya que hay más formas en las que se pueden organizar las moléculas. Por lo tanto, hay una mayor entropía. 

Show question

Pregunta

Otras palabras para decribir la entropía suelen ser:

Mostrar respuesta

Answer

Caos y aleatoriedad.

Show question

Pregunta

Un cuerpo de materia en un sistema termodinámico contendrá necesariamente un ______ número de partículas.

Mostrar respuesta

Answer

Gran.

Show question

Pregunta

Se define estado termodinámico como:

Mostrar respuesta

Answer

La condición de un sistema termodinámico, en un momento específico, que está completamente especificado por variables de estado, parámetros y constantes. 

Show question

Pregunta

Los tres tipos de sistemas termodinámicos que existen son: 

Mostrar respuesta

Answer

Abiertos, cerrados y aislados

Show question

Pregunta

Los sistemas abiertos intercambian con su entorno:

Mostrar respuesta

Answer

Calor y partículas.

Show question

Pregunta

Los sistemas cerrados intercambian con su entorno:

Mostrar respuesta

Answer

Calor.

Show question

Pregunta

Los sistemas aislados intercambian con su entorno:

Mostrar respuesta

Answer

Nada.

Show question

Pregunta

Dos objetos de diferente temperatura intercambian calor hasta alcanzar el: 

Mostrar respuesta

Answer

Equilibrio térmico.

Show question

Pregunta

La energía en forma de calor se transmite desde un objeto de ______ temperatura.

Mostrar respuesta

Answer

Mayor a menor.

Show question

Pregunta

"Si un cuerpo C, está en equilibrio térmico con otros dos cuerpos, A y B, entonces A y B están en ______ entre sí".

Mostrar respuesta

Answer

Equilibrio térmico.

Show question

Pregunta

El símbolo de la energía interna es:

Mostrar respuesta

Answer

U

Show question

Pregunta

La primera ley de la termodinámica señala que la energía del ______ permanece constante.

Mostrar respuesta

Answer

Universo.

Show question

Pregunta

Una función de estado depende solo de ______ . 

Mostrar respuesta

Answer

Los estados inicial y final.

Show question

Pregunta

La entropía (S) es una función de estado.

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero

Show question

Pregunta

La segunda ley de la termodinámica dicta que: 

Mostrar respuesta

Answer

La entropía total del universo, del entorno y del sistema aislado, solo puede aumentar durante un proceso espontáneo.

Show question

Pregunta

En símbolos, se puede expresar la tercera ley de la termodinámica como: 

Mostrar respuesta

Answer

ΔS → 0 cuando T → 0.

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