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第5讲 热机的效率
【考情分析】
考点（知识点） 重要程度 考情分析 本讲教学目标 升学教学目标
比热容 ★☆☆ 理解能力 理解 理解
热量的计算 ★★☆ 计算能力、逻辑思维能力 掌握 掌握
注:★☆☆:普通考点知识点；★★☆：中考、高考高频考点；★★★：中高考重点、难点、必考点；
【知识导图】
【知识梳理】
知识点一：燃料的热值
1.燃料
（1）燃料的种类
燃料是指可燃烧的物质，根据不同标准，燃料可分为不同的种类，最常见的是按其物理状态分类。
（2）燃料燃烧时能量转化：化学能转化为内能。
2.燃料的热值
（1）定义：把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量(或体积)之比，叫做这种燃料的热值。
（2）单位：焦耳每千克（或焦耳每立方米），符号：J/kg（或J/m3）
（3）热量的计算：
（4）对燃料热值的透析
热值是燃料的一种固有性质 热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃料燃烧过程中，化学能转变成内能的本领大小；也就是说，它是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关
对完全燃烧的理解 对于热值的概念，要注重理解三个关键词：“1kg”、“某种燃料”、“完全燃烧”。1kg是指燃料的质量，如果燃料的质量不是1kg，那么该燃料完全燃烧放出的热量就不等于热值的数值；某种燃料是指热值与燃料的种类有关；完全燃烧意思是燃料要完全烧尽，否则1kg燃料燃烧过程中，化学能转变成内能就不是该热值所确定的值
热值的作用 燃料热值的高低是衡量燃料优劣的主要指标
知识诠释：
（1）不是任何物质都有热值。热值是燃料的固有性质，如石块、铁块等非燃料物质没有热值；
（2）只有燃料放热时，才能用Q放 ＝qm或Q放 ＝Vq进行计算，不要将其与温度降低时的放热公式Q放=cm△t混淆。
题型一：热值概念理解
【例1】下列关于热值的说法正确的是（ ）
A．物质的热值跟物质燃烧放出的热量有关
B．燃料热值越大，燃烧放出的热量越多
C．使燃料燃烧更充分，可以增大热值
D．热值只与燃料的种类有关
【答案】D
【详解】ACD．热值指的是是燃料的一种属性，燃料的热值仅与燃料的种类有关，与燃料燃烧是否充分、放出的热量无关，故AC错误，D正确；
B．燃料燃烧放出热量的多少与热值的大小、燃料的质量有关，热值大，燃料放出的热量不一定多，故B错误。
故选D。
[变式1]下列说法正确的是（ ）
A．物体吸收热量，内能一定增加，同时温度一定升高
B．物质的比热容与物体吸收的热量、升高的温度和质量都无关
C．使燃料燃烧更充分，既可以增大然值，也可以提高热机效率
D．发生热传递时，热量总是从内能大的物体传递给内能小的物体
【答案】B
【详解】A．物体吸收热量，内能一定增加，但温度不一定升高，如冰熔化时内能增加，温度保持不变，故A 错误；
B．比热容是物质的一种特性，其大小与物质的种类和状态有关，与物体吸收的热量、升高的温度和质量都无关，故B正确；
C．热值是燃料本身的特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、放出热量的多少以及是否充分燃烧无关，使燃料充分燃烧可以提高能量的利用率，从而提高热机效率，故C错误；
D．发生热传递的条件是两物体之间存在温度差，热量总是自发地从温度高的物体传递到温度低的物体，故D错误。
故选B。
[变式2]当加满95号的汽车由佛山开到珠海后剩了半箱油，剩下油的质量、密度、比热容和热值的情况是（ ）
A．质量、密度、比热容和热值均保持不变 B．密度变为原来的一半，比热容和热值不变
C．热值变为原来的一半，密度和比热容不变 D．质量变为原来的一半，比热容和热值不变
【答案】D
【详解】质量是指物体所含物质的多少；汽油用去一半后，其质量将减半；汽油的密度、比热容和热值，都是汽油的特性，是从不同的角度来描述汽油的特性， 与汽油质量的多少无关，故ABC不符合题意，D符合题意。
故选D。
题型二：燃料热值的大小比较
【例2】小明测试了自己家中分别单独使用不同种类的燃料时的平均月消耗量分别为：木柴约100kg，烟煤约40kg，液化石油气约15kg，煤气约30kg，这四种燃料中哪种燃料的热值最高（ ）
A．木柴 B．烟煤 C．液化石油气 D．煤气
【答案】C
【详解】由题意可知，分别单独使用不同种类的燃料时，放出的热量是相同的，根据热值公式可知，质量小的，热值较大，液化石油气的质量最小，则液化石油气的热值最高；故A、B、D不符合题意，C符合题意。
故选C。
[变式1]某学校每天向学生提供100kg开水，下表所列为几种常见燃料的热值。现将质量为100kg，初温为20℃的水烧开所需燃料质量最少的是（燃料完全燃烧）（ ）
几种常见燃料的热值/（J·kg-1）
燃料油 酒精 无烟煤 烟煤
4.2×107 3.0×107 约3.4×107 约2.9×107
A．燃料油 B．酒精 C．无烟煤 D．烟煤
【答案】A
【详解】将不同燃料完全燃烧，将质量为100kg，初温为20℃的水烧开，水吸收的热量是相同的，根据热值公式，可得质量为，可知热量相同时，热值越大，所需燃料质量越小，故A符合题意，BCD不符合题意。
故选A。
[变式2]根据热值的物理意义，我们知道，将两瓶相同的酒精合并在一个大瓶里，酒精的热值将（ ）
A．不变 B．变为原来的2倍
C．变为原来的 D．变为原来的4倍
【答案】A
【详解】将两瓶相同的酒精合并在一个大瓶里，酒精的质量变大，但热值与物体质量无关，与物质的种类有关，酒精种类没有发生变化，则热值不变。故A符合题意，BCD不符合题意。
故选A。
知识点二、热机的效率
燃料的有效利用
用煤气灶、锅炉、煤炉等烧水时，燃料不能完全燃烧利用，具体原因是多样的。例如，燃料不能完全燃烧而损失了一部分能量，装水的容器吸收了一部分能量、灶体本身也会吸收一部分能量，高温的烟气带走了一部分能量，还有一部分能量直接散失掉了，水吸收的热量只占燃料燃烧放出热量的一部分，只有水吸收的热量才是有效利用的部分。如图所示：
锅炉的效率
（1）锅炉是利用燃料或其他热源把水加热成热水或蒸汽的设备。锅炉包括锅和炉两部分，锅是指盛水的容器，炉是燃料燃烧的装置。
提高锅炉燃料利用率的途径：
①让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等；
②减少热量损失，如加大有效受热面积等。
内燃机中热量燃烧的能量流向图
热机效率
（1）定义：用来做有用功的热量与燃料完全燃烧放出的热量的比值。
（2）计算公式：
对热机而言，其中用来做有用功的能量Q有用等于热机对外的有用功W有用，故热机的效率公式又可写成：。
（3）物理意义：热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，因此热机的效率是热机性能的一个重要指标。
（4）常见热机效率：蒸汽机6%-15%，汽油机20%-30%，柴油机30%-45%。
5.提高热机效率的主要途径
①改善燃烧的条件，使燃料尽可能充分燃烧（将煤磨成煤粉，用空气吹进炉膛，使之更充分燃烧）；
②减少各种热量损失（I. 加大受热面积，以减少烟尘废气带走的热量；II. 使用较好的保温材料，减少热损失）；
③在热机设计和制造上，采用先进的技术；
④保障良好的润滑，减少机械摩擦。
题型三：热值与效率的关系
【例3】下列关于热值和热机效率的说法，正确的是（ ）
A．减少各部件间的摩擦可提高热机效率
B．柴油机的效率通常低于汽油机
C．使燃料燃烧更充分，可以增大燃料的热值
D．燃料燃烧放出的热量越多，热值一定越大
【答案】A
【详解】A．热机效率是指有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的热量的比值，提高燃料的利用率和减少能量损失均可以提高热机效率，减少各部件间的摩擦可以减少能量损失，因此可以提高热机效率，故A正确；
B．由效率的知识可知，柴油机的效率通常比汽油机高，故B错误；
C．热值是燃料本身的特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、是否充分燃烧以及放出热量的多少无关，所以使燃料燃烧更充分，燃料的热值不变，故C错误；
D．根据可知，由于不知道质量的大小，燃料燃烧放出的热量越多，热值不一定越大，故D错误。
故选A。
[变式1]关于热值和热机效率，下列说法正确的是（ ）
A．使燃料燃烧更充分，可提高热机效率
B．热机使用的燃料的热值越大，热机效率就越高
C．1kg汽油在汽缸内燃烧放出的热量，就是汽油的热值
D．火箭升空时燃料燃烧放出的热量全部转化为机械能
【答案】A
【详解】A．使燃料燃烧更充分，可以增大有效利用的能量，提高热机的效率，故A正确；
B．热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，与燃料的热值无关，故B错误；
C．1kg汽油完全燃烧放出的热量叫做汽油的热值，热值是燃料的一种特性，和燃料是否燃烧、是否完全燃烧、燃料的质量等无关，故C错误；
D．火箭升空时燃料燃烧放出的热量一部分转化为机械能，一部分转化为其他形式的能量，故D错误。
故选A。
[变式2]1785年，瓦特制成的改良型蒸汽机的投入使用，提供了更加便利的动力，得到迅速推广，大大推动了机器的普及和发展，人类社会由此进入了“蒸汽时代”。下列关于热机的说法正确的是（ ）
A．热机是利用内能做功的机械 B．热机压缩冲程将内能转化为机械能
C．柴油机的效率一般比汽油机小 D．热机的大量使用不会造成环境污染
【答案】A
【详解】A．热机是利用内能做功的机械，工作时将内能转化成机械能，故A正确；
B．压缩冲程，是活塞压缩汽缸内的混合气体，是活塞对混合气体做功，混合气体的内能增加，温度升高，所以压缩冲程是活塞的机械能转化为混合气体的内能，故B错误；
C．柴油机的效率大约是34%~45%，汽油机的效率大约是26%~40%，柴油机的效率一般比汽油机大，故C错误；
D．热机的大量使用，排放的尾气，会带来废气污染，且有噪声污染等，故D错误。
故选A。
题型四：热机与环境保护
【例4】下列关于热机和环境保护的说法，正确的是（ ）
A．热机排出的尾气没有内能 B．热机的大量使用会造成环境污染
C．内燃机工作时，吸入汽缸中的都是空气 D．热机的效率能达到
【答案】B
【详解】A. 热机工作时，排出的尾气带走了大部分内能，故A错误．B. 热机工作时，燃料燃烧放出的废气会造成环境污染，所以热机的大量使用会造成环境污染，故B正确．C. 内燃机工作时，汽油机吸入汽缸中的是空气和汽油，柴油机吸入汽缸的是空气，故C错误．D. 热机工作时由于要克服机械间的摩擦做额外功、同时也存在热散失、并且废气带走大部分能量，所以热机的效率很低，不能达到100%，故D错误．故选B.
【点睛】（1）所有分子动能和势能之和称为分子内能，一切物体的分子都在永不停息的做运动，所以一切物体都具有内能．（2）热机工作时，燃料燃烧放出的废气会对环境造成很大的危害．（3）吸气冲程中，汽油机吸入的是空气和汽油，柴油机吸入的是空气．（4）热机工作时废气带走大部分能量、克服机械间的摩擦做额外功、同时也存在热散失等，所以热机的效率较低．
[变式1]汽车上的热机工作时，直接带来空气污染的是( )
A．吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程
【答案】D
【详解】吸气冲程将空气吸入汽缸，没有废弃的气体排入大气，不会带来空气的污染；压缩冲程活塞在汽缸内运动，没有废弃的气体排入大气，不会带来空气的污染；做功冲程活塞在汽缸内运动，没有废弃的气体排入大气，不会带来空气的污染；排气冲程中活塞将汽缸内的气体直接排如空气中，故直接带来空气污染；答案选D．
[变式2]热机是把内能转化为_____能的机器； 有经验的柴油机维修师，不用任何仪器，只是靠近柴油机排气管口闻一下，并将手伸到排气管口附近感觉一下尾气的温度，就能初步判断这台柴油机的节能效果。在同样负荷的情况下，尾气的柴油味越_____（填“浓”或“淡”），柴油机的效率越高；尾气温度越_____（填“高”或“低”），柴油机越节能。当柴油在发动机内燃烧不充分时会冒“黑烟”，这时发动机的效率_____（选填“升高”、“不变”、“降低”）。
【答案】 机械 淡 低 降低
【详解】[1]热机是把燃料燃烧释放的内能转化为机械能的器。
[2]尾气的柴油味浓、颜色黑都说明柴油没有充分燃烧，浪费了燃料，这样柴油机的效率会低。
[3]尾气的温度高，说明散失的热量多，柴油机的效率低，反之，柴油机的效率高，即节能。
[4]冒“黑烟”说明燃烧不充分，用来做有用功的能量占燃料完全燃烧放出的总能量的比值就小，所以效率降低。
题型五：热机效率的计算
【例5】某太阳能热水器装有100kg的冷水，经过一天，水温可以从25℃升高75℃[水的比热容为4.2×103J/（kg·℃），天然气的热值为8.4×107J/m3]，求：
（1）这些水吸收的热量；
（2）若用燃气灶对这些水加热，达到同样的效果需要消耗1.25m3燃，则天然气灶效率为多少？
【答案】（1）2.1×107J；（2）20%
【详解】解：（1）水吸收的热量
Q吸=c水m(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×100kg×(75℃-25℃)=2.1×107J
（2）根据Q放＝Vq可得天然气完全燃烧放出的热量Q放＝Vq＝1.25m3×8.4×107J/m3＝1.05×108J
天然气灶效率为
答：（1）这些水吸收的热量为2.1×107J；
（2）天然气灶效率为20%。
[变式1]完全燃烧0.5kg的煤气，如果放出的热有80%给水吸收。
（1）煤气放出多少热量？
（2）它能使20℃的多少kg的水升高到100℃？[q煤气=4.2×107J/kg，c水=4.2×103J/（kg·℃）]
【答案】（1）2.1×107J；（2）50kg
【详解】解：（1）煤气完全燃烧放出的热量Q放=mq煤气=0.5kg×4.2×107J/kg=2.1×107J
（2）由题可知Q吸=Q放×80%=2.1×107J×80%=1.68×107J
由Q吸=cmΔt得水的质量
答：（1）煤气放出的热量为2.1×107J；
（2）它能使20℃的50kg的水升高到100℃。
[变式2]某物理兴趣小组的同学，用煤炉给10kg的水加热，完全燃烧了0.4kg的煤，水温升高了50℃，水的比热容为4.2×103J/（kg ℃），煤的热值约为3×107J/kg。试求：
（1）煤完全燃烧放出的热量为多少？
（2）水所吸收的热量为多少？
（3）煤炉烧水时的热效率为多少？
【答案】（1）1.2×107J；（2）2.1×106J；（3）17.5％
【详解】解：（1）煤完全燃烧放出的热量为
（2）水所吸收的热量为
（3）煤炉烧水时的热效率为
答：（1）煤完全燃烧放出的热量为；
（2）水所吸收的热量为；
（3）煤炉烧水时的热效率为。
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第5讲 热机的效率
【考情分析】
考点（知识点） 重要程度 考情分析 本讲教学目标 升学教学目标
比热容 ★☆☆ 理解能力 理解 理解
热量的计算 ★★☆ 计算能力、逻辑思维能力 掌握 掌握
注:★☆☆:普通考点知识点；★★☆：中考、高考高频考点；★★★：中高考重点、难点、必考点；
【知识导图】
【知识梳理】
知识点一：燃料的热值
1.燃料
（1）燃料的种类
燃料是指可燃烧的物质，根据不同标准，燃料可分为不同的种类，最常见的是按其物理状态分类。
（2）燃料燃烧时能量转化：化学能转化为内能。
2.燃料的热值
（1）定义：把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量(或体积)之比，叫做这种燃料的热值。
（2）单位：焦耳每千克（或焦耳每立方米），符号：J/kg（或J/m3）
（3）热量的计算：
（4）对燃料热值的透析
热值是燃料的一种固有性质 热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃料燃烧过程中，化学能转变成内能的本领大小；也就是说，它是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关
对完全燃烧的理解 对于热值的概念，要注重理解三个关键词：“1kg”、“某种燃料”、“完全燃烧”。1kg是指燃料的质量，如果燃料的质量不是1kg，那么该燃料完全燃烧放出的热量就不等于热值的数值；某种燃料是指热值与燃料的种类有关；完全燃烧意思是燃料要完全烧尽，否则1kg燃料燃烧过程中，化学能转变成内能就不是该热值所确定的值
热值的作用 燃料热值的高低是衡量燃料优劣的主要指标
知识诠释：
（1）不是任何物质都有热值。热值是燃料的固有性质，如石块、铁块等非燃料物质没有热值；
（2）只有燃料放热时，才能用Q放 ＝qm或Q放 ＝Vq进行计算，不要将其与温度降低时的放热公式Q放=cm△t混淆。
题型一：热值概念理解
【例1】下列关于热值的说法正确的是（ ）
A．物质的热值跟物质燃烧放出的热量有关
B．燃料热值越大，燃烧放出的热量越多
C．使燃料燃烧更充分，可以增大热值
D．热值只与燃料的种类有关
[变式1]下列说法正确的是（ ）
A．物体吸收热量，内能一定增加，同时温度一定升高
B．物质的比热容与物体吸收的热量、升高的温度和质量都无关
C．使燃料燃烧更充分，既可以增大然值，也可以提高热机效率
D．发生热传递时，热量总是从内能大的物体传递给内能小的物体
[变式2]当加满95号的汽车由佛山开到珠海后剩了半箱油，剩下油的质量、密度、比热容和热值的情况是（ ）
A．质量、密度、比热容和热值均保持不变 B．密度变为原来的一半，比热容和热值不变
C．热值变为原来的一半，密度和比热容不变 D．质量变为原来的一半，比热容和热值不变
题型二：燃料热值的大小比较
【例2】小明测试了自己家中分别单独使用不同种类的燃料时的平均月消耗量分别为：木柴约100kg，烟煤约40kg，液化石油气约15kg，煤气约30kg，这四种燃料中哪种燃料的热值最高（ ）
A．木柴 B．烟煤 C．液化石油气 D．煤气
[变式1]某学校每天向学生提供100kg开水，下表所列为几种常见燃料的热值。现将质量为100kg，初温为20℃的水烧开所需燃料质量最少的是（燃料完全燃烧）（ ）
几种常见燃料的热值/（J·kg-1）
燃料油 酒精 无烟煤 烟煤
4.2×107 3.0×107 约3.4×107 约2.9×107
A．燃料油 B．酒精 C．无烟煤 D．烟煤
[变式2]根据热值的物理意义，我们知道，将两瓶相同的酒精合并在一个大瓶里，酒精的热值将（ ）
A．不变 B．变为原来的2倍
C．变为原来的 D．变为原来的4倍
知识点二、热机的效率
燃料的有效利用
用煤气灶、锅炉、煤炉等烧水时，燃料不能完全燃烧利用，具体原因是多样的。例如，燃料不能完全燃烧而损失了一部分能量，装水的容器吸收了一部分能量、灶体本身也会吸收一部分能量，高温的烟气带走了一部分能量，还有一部分能量直接散失掉了，水吸收的热量只占燃料燃烧放出热量的一部分，只有水吸收的热量才是有效利用的部分。如图所示：
锅炉的效率
（1）锅炉是利用燃料或其他热源把水加热成热水或蒸汽的设备。锅炉包括锅和炉两部分，锅是指盛水的容器，炉是燃料燃烧的装置。
提高锅炉燃料利用率的途径：
①让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等；
②减少热量损失，如加大有效受热面积等。
内燃机中热量燃烧的能量流向图
热机效率
（1）定义：用来做有用功的热量与燃料完全燃烧放出的热量的比值。
（2）计算公式：
对热机而言，其中用来做有用功的能量Q有用等于热机对外的有用功W有用，故热机的效率公式又可写成：。
（3）物理意义：热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，因此热机的效率是热机性能的一个重要指标。
（4）常见热机效率：蒸汽机6%-15%，汽油机20%-30%，柴油机30%-45%。
5.提高热机效率的主要途径
①改善燃烧的条件，使燃料尽可能充分燃烧（将煤磨成煤粉，用空气吹进炉膛，使之更充分燃烧）；
②减少各种热量损失（I. 加大受热面积，以减少烟尘废气带走的热量；II. 使用较好的保温材料，减少热损失）；
③在热机设计和制造上，采用先进的技术；
④保障良好的润滑，减少机械摩擦。
题型三：热值与效率的关系
【例3】下列关于热值和热机效率的说法，正确的是（ ）
A．减少各部件间的摩擦可提高热机效率
B．柴油机的效率通常低于汽油机
C．使燃料燃烧更充分，可以增大燃料的热值
D．燃料燃烧放出的热量越多，热值一定越大
[变式1]关于热值和热机效率，下列说法正确的是（ ）
A．使燃料燃烧更充分，可提高热机效率
B．热机使用的燃料的热值越大，热机效率就越高
C．1kg汽油在汽缸内燃烧放出的热量，就是汽油的热值
D．火箭升空时燃料燃烧放出的热量全部转化为机械能
[变式2]1785年，瓦特制成的改良型蒸汽机的投入使用，提供了更加便利的动力，得到迅速推广，大大推动了机器的普及和发展，人类社会由此进入了“蒸汽时代”。下列关于热机的说法正确的是（ ）
A．热机是利用内能做功的机械 B．热机压缩冲程将内能转化为机械能
C．柴油机的效率一般比汽油机小 D．热机的大量使用不会造成环境污染
题型四：热机与环境保护
【例4】下列关于热机和环境保护的说法，正确的是（ ）
A．热机排出的尾气没有内能 B．热机的大量使用会造成环境污染
C．内燃机工作时，吸入汽缸中的都是空气 D．热机的效率能达到
[变式1]汽车上的热机工作时，直接带来空气污染的是( )
A．吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程
[变式2]热机是把内能转化为_____能的机器； 有经验的柴油机维修师，不用任何仪器，只是靠近柴油机排气管口闻一下，并将手伸到排气管口附近感觉一下尾气的温度，就能初步判断这台柴油机的节能效果。在同样负荷的情况下，尾气的柴油味越_____（填“浓”或“淡”），柴油机的效率越高；尾气温度越_____（填“高”或“低”），柴油机越节能。当柴油在发动机内燃烧不充分时会冒“黑烟”，这时发动机的效率_____（选填“升高”、“不变”、“降低”）。
题型五：热机效率的计算
【例5】某太阳能热水器装有100kg的冷水，经过一天，水温可以从25℃升高75℃[水的比热容为4.2×103J/（kg·℃），天然气的热值为8.4×107J/m3]，求：
（1）这些水吸收的热量；
（2）若用燃气灶对这些水加热，达到同样的效果需要消耗1.25m3燃，则天然气灶效率为多少？
[变式1]完全燃烧0.5kg的煤气，如果放出的热有80%给水吸收。
（1）煤气放出多少热量？
（2）它能使20℃的多少kg的水升高到100℃？[q煤气=4.2×107J/kg，c水=4.2×103J/（kg·℃）]
[变式2]某物理兴趣小组的同学，用煤炉给10kg的水加热，完全燃烧了0.4kg的煤，水温升高了50℃，水的比热容为4.2×103J/（kg ℃），煤的热值约为3×107J/kg。试求：
（1）煤完全燃烧放出的热量为多少？
（2）水所吸收的热量为多少？
（3）煤炉烧水时的热效率为多少？
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