困っています！高温での膨張長さを知りたいです。 -高温加熱炉でセラミ- 物理学

Qなぜ熱膨張係数は物質により異なるのでしょうか？

先日、大学の実験で金属の熱膨張係数を調べたのですが、実験後なぜ熱膨張係数は物質によって異なるのか、またなぜ熱膨張係数は温度変化するのかを調べなさいといわれました。
大学の図書館などでいろいろ調べてみたのですが、そのことに関して記述されている本がなかなか見つからなくて困っています。
もし知っている方がいましたら詳しく教えてください。
本の名前やサイトでも結構ですのでお願いします。

Aベストアンサー

固体の中で原子は整然と並んで結晶を作っているわけですが、個々の原子は、結晶の中での安定な位置にとどまろうとしています。ですから、大雑把にいえば、原子同士はバネでつながれているようなものです。有限温度では熱エネルギーのために原子は安定点を中心に振動しています。

ここで、原子同士をつないでいるバネが、力の大きさが変位の絶対値に比例する理想的なバネだったら熱膨張は起こらないのですが、実際の原子同士の相互作用は、安定点から同じだけ離れたとしても、原子同士が近づく方向に動いたときに働く力の方が、原子同士が離れた方向に動いたときに働く力よりも大きくなっています。ファンデルワールス力を与えるレナードジョーンズポテンシャルを御存知でしたら、このことが納得できるのではないかと思います。

したがって、温度が上昇して熱振動の振幅が大きくなると、原子間の平均の距離は（近づくとより強い力がかかるわけですから）、長くなります。要するに温度が上がると、固体は膨張します。これが熱膨張の原因です。

熱振動の振幅が小さければ小さいほど、バネは理想的なバネに近づいていきますから（振り子の振動を解析するときに、振幅が小さければ単振動とみなしてよいのと同じ）、熱膨張係数は温度を下げると小さくなって、絶対零度では零になります。

原子間の相互作用（要するにバネの力）を与えるポテンシャルの詳細は、当然、構成元素や結晶構造によって変わりますから、熱膨張係数は物質によって変わります。

でも、世の中には変な物質があって、磁気的な体積変化と熱膨張がキャンセルして、温度を変えても長さがほとんど変わらないもの（インバーと呼ばれています）や逆に温度を「下げる」と体積が増えるものまであります。

固体の中で原子は整然と並んで結晶を作っているわけですが、個々の原子は、結晶の中での安定な位置にとどまろうとしています。ですから、大雑把にいえば、原子同士はバネでつながれているようなものです。有限温度では熱エネルギーのために原子は安定点を中心に振動しています。

ここで、原子同士をつないでいるバネが、力の大きさが変位の絶対値に比例する理想的なバネだったら熱膨張は起こらないのですが、実際の原子同士の相互作用は、安定点から同じだけ離れたとしても、原子同士が近づく方向に動いたとき...続きを読む

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Q航空力学的浮力を発生する翼面の一方の空気を加熱・膨張させると…　？

質問内容
「飛行機などの”いわゆる翼”の各々上下を流れる空気の一方を、
他方に比べかなりの圧力差がでる程加熱・膨張させるとどうなるのだろう？」

本文
御世話になります、

しょうもないことかも知れませんが、
頭に浮かんだことの結果が知りたくなってしまいました。

それは
「飛行機など、揚力を発生させる”いわゆる翼”の、
各々上下を流れる空気の一方を、大幅な減圧が生じる程（液化する程）冷却するとどうなるのだろう？
上手く設計すれば自ら空気を吸い込み、揚力を増す・または自ら推進力を得るのではないか？」
と、いうものです。

しかしこれは「どうやってこれ程収縮・減圧を起こさせるか」に問題がでますよね？

でもこれは要は、
翼を流れる双方の流体間に大幅な圧力差が生じるほど、
一方が他方に比べて容積変動を起こした場合どうなるか、
ということだと思えるので、
冷却する側の反対側を加熱して膨張・増圧させることで、近似値的な結果は得られるのかな？　と思えます。

勝手に話を進めているようでなんなのですが、
なので「飛行機など、揚力を発生させる”いわゆる翼”の、
各々上下を流れる空気の一方を、増圧する程加熱・膨張させるとどうなるのだろう？」を質問させて頂きたく思います。

風洞を自由に使える環境にあれば進んで自ら研究したいテーマなのですが、
残念ながら私はそこにありませんので、皆様に縋りたく思います。

実験結果と出来れば解説を掲載している書物またはサイトをお教え頂けないでしょうか、

自ら試験された結果などもお寄せ頂けると有難いです。
（※此方は質問形態として一種御法度のような気もしますが、…　）

後、こういう方向性の質問を率先して扱っているサイトが他にあれば併せてお教え頂けると有難いです。

どうぞ宜しくお願い致します。

質問内容
「飛行機などの”いわゆる翼”の各々上下を流れる空気の一方を、
他方に比べかなりの圧力差がでる程加熱・膨張させるとどうなるのだろう？」

本文
御世話になります、

しょうもないことかも知れませんが、
頭に浮かんだことの結果が知りたくなってしまいました。

それは
「飛行機など、揚力を発生させる”いわゆる翼”の、
各々上下を流れる空気の一方を、大幅な減圧が生じる程（液化する程）冷却するとどうなるのだろう？
上手く設計すれば自ら空気を吸い込み、揚力を増す・または自ら推進...続きを読む

Aベストアンサー

こういう思考実験をしてみます。↓

・断面が完全対称翼型の翼を迎角０°で流体中に置く。
・この翼は鉄板で出来ており、その下面のみを真っ赤に
　なる程加熱する。上面は流体温度のまま保持される。

．．．この場合、通常の加熱しない状態では上下面に発生する
負圧も正圧も同じなので、揚力は発生せず抗力のみが働きます。
しかし、下面が加熱されると、ラジオメーターと同じ原理で
下面の方が分子運動量が大きいので　下⇒上　の力が発生し、
相対風に直角方向の「揚力」が起きたことにはなると思います。

ラジオメーター効果　Wiki
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A9%E3%82%B8%E3%82%AA%E3%83%A1%E3%83%BC%E3%82%BF%E3%83%BC%E5%8A%B9%E6%9E%9C

ただ、現実的にはこれによる力は期待できるほど大きくない気が
します。（どうやって計算できるかすら解りませんが．．．）
また、速度域でも違うでしょうが、空気に常時冷却されるのでは
この上下面の温度差を維持するのは困難でしょう。

困難だといっても、技術が進めば不可能ではないかもしれません。
（容易に数千度に加熱出来る技術とか、その逆に冷却できるとか。）
現状、主翼内は燃料タンクにもなってますし、大型機のタンクの
下面は主翼下面そのものですので真っ赤に加熱する訳にもいきません。
何かを燃焼させるにしても同様です。

上面を冷却するにしても既に旅客機はマイナス数十度の環境で飛行
してるので、さらに冷却するには液体ヘリウムくらいの冷却剤を
大量に使う必要があるのではないでしょうか。その兼ね合いで後は
「採算があうのか？」に結局なると思います。

追加された部分で:

＞円周の１／６の円弧の両端を直線で繋いだような～（省略）
　翼直線部位でも昇圧が発生するのですか？
相対風に平行、迎角ゼロで置くという意味なら下面には発生しない
と思います。
あんまり関係ないですが、翼弦の１.６倍の半径の円弧を上面とする
翼型は模型用に存在し、ＪＡＬ８５０　と言います。

＞水を霧状に散布した上で何か燃料を燃焼させれば
目的は異なりますが、ジェットエンジンで「水噴射」は存在して
実際に使われています。ただこれは、吸入空気温度を下げて空気量
を増やすことが主目的です。
ロールス・ロイスダート　Wiki
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AD%E3%83%BC%E3%83%AB%E3%82%B9%E3%83%BB%E3%83%AD%E3%82%A4%E3%82%B9_%E3%83%80%E3%83%BC%E3%83%88
ボーイング747　Wiki　(747-100項）
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9C%E3%83%BC%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%82%B0747
航空実用事典　水噴射
http://www.jal.co.jp/jiten/dict/p217.html#08-27

こういう思考実験をしてみます。↓

・断面が完全対称翼型の翼を迎角０°で流体中に置く。
・この翼は鉄板で出来ており、その下面のみを真っ赤に
　なる程加熱する。上面は流体温度のまま保持される。

．．．この場合、通常の加熱しない状態では上下面に発生する
負圧も正圧も同じなので、揚力は発生せず抗力のみが働きます。
しかし、下面が加熱されると、ラジオメーターと同じ原理で
下面の方が分子運動量が大きいので　下⇒上　の力が発生し、
相対風に直角方向の「揚力」が起きたことにはなると思いま...続きを読む

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Q熱膨張係数と空孔率との相関

低誘電率薄膜をSi基板上に作製し、その熱膨張係数（膜と垂直方向）を測定しております。
この薄膜は円筒形の空孔（体積比にして最大で40%程度）を多数含んでおり、ちょうどスポンジのような状態になっています。
そこで、空孔率の異なる幾つかのサンプルを測定してみた場合、
空孔率が増加すると熱膨張係数は増加すると思われますか？減少すると思われますか？
それとも、空孔率と熱膨張係数は一概に相関を持つとは言えないと思いますか？

私の推測では、穴が増えればそれだけ膜中の結合の数が減るわけで、
膨張しやすい状態になるのではないかと考えています。
（つまり空孔率が増えると熱膨張係数が増えると考えています）

この考えは間違っている、正しい、あるいは
この推論を実証する方法など、
何でも構いませんので、ご意見頂ければと思います。
宜しくお願い致します。

Aベストアンサー

空孔率と熱膨張係数とは相関がないのではないでしょうか。
勿論ご質問者のご指摘されるように、空孔というものが物質中の原子間の結合を減らすというのであれば空孔率と熱膨張係数とに相関があるのかもしれませんが、通常の多孔体、空孔なら、単に孔にはその誘電体が存在していないだけで、誘電体そのものには通常のバルクと同一と見なされるのではないかと思われます。その場合は空孔の有無と熱膨張経緯数とに相関はないのではないでしょうか。
空孔のサイズによるとは思いますが、ナノレベルの空孔であればたしかに結合数に効いてくるのかも知れませんが。

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Qなぜ、福島第一原発一号炉の原子炉圧力は上昇？

原発の一号炉の原子炉圧力が上昇しています。
圧力容器といわれる方の圧力だと思います。
再臨界のためという説明は、可能なのでしょうか？
再臨界以外のより妥当な説明というのはあるのでしょうか？
心配です。
教えてください。

Aベストアンサー

再臨界の可能性が非常に高いです。
１～３号機で圧力容器内の水が少なく燃料棒のかなりの部分が以前から露出していることは既に報道されています。
そうなると当然燃料棒はボロボロになって底にたまります。
制御棒で核分裂が停止していると言えるのは燃料棒、制御棒が正常な形状を保っている状態で言えることで、底に溜まった核燃料が水の中で再臨界になることは充分ありえると以前から警告されています。

今回の原子炉事故が一気にレベル７に引き上げられた理由は２号機で、既に原子炉内で再臨界が続いて圧力容器が溶融し底が抜けて内部が外部環境に流れ出ていると認められることを意味します。
チェルノブイリと同等の原子炉事故の最悪の状態であることを国際機関と日本政府が認めざるを得なくなったと言うことです。
昨日から安全院の表現は表現を変え「原子炉は原型を留めている」となりましたが、形はあるが既にその役割を果たせるような状態ではないことを暗に意味しています。
報道における発言は注意深く聞くことで何を言いたいのか、言えないのかを知ることができます。

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Q熱膨張係数(CTE)の温度依存性のメカニズムは？

現在、金属薄膜や有機薄膜（膜厚はおよそ100-1000nm）の熱膨張係数の測定を行っています。
様々な物質の測定値をデータベース化しようとしているのですが、
どうも熱膨張係数が明確な温度依存性を持っている物質があるようです。
（温度とともに増加するものも、減少するものもありました）

この温度依存性のメカニズムについて自分なりに調べてみたのですが、
・格子定数が温度の2乗（あるいは3乗以上の項）に比例するため
と結論づけているホームページを見つけました。
（http://www.ceramics.nist.gov/srd/summary/scdtib2.htm）
これ以外のメカニズムで熱膨張の温度依存を説明できるような理論があれば、
是非教えて頂けたらと思います。

とにかく、熱膨張の温度依存について、
どんな小さな情報でも構いませんので、
ご教授頂ければ幸いです。
宜しくお願い致します。

Aベストアンサー

一般的な物質の熱膨張の因子として，原子の熱的振動による格子振動，電子の熱的励起，および磁気的寄与があります。また，特殊なケースとして，欠陥の現象による見かけ上の体積収縮があります。（これは，炭素繊維／炭素マトリックス複合材料などに見られるケースで，温度の逆依存性を示します）

上の3つの因子の内，格子振動と電子の励起は温度と共に増加します。一方，磁気的寄与については，温度に対し増加する場合も，減少する場合もあります。
すなわち，材料によっては，非常に大きな磁気的寄与により体...続きを読む

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Q高温ガス炉について教えて下さい

「注目高まる安全な原発　日本がトップ独走、次世代型「高温ガス炉」　国が開発推進」と産経新聞に出ていました。ヘリウムガスで冷却し、放射性物質の放出や炉心溶融などが起きないとのこと。また安く電気を起こせる、事故が起きても自然に停止するなどの特徴が書いてあります。ネットで調べた限りでは、大きな欠点は見つかりませんでした。今まで軽水炉ばかり開発されてきたということは、何か高温ガス炉に問題があったということでしょうか。

Aベストアンサー

　「冷却効率」という点から言えば、「空冷」は「水冷」に比べて圧倒的に効率が悪いです。

　「冷却効率」とは、原子炉でいえば、同じ大きさの原子炉から、どれだけの熱量（エネルギー）を取り出せるかということです。

　つまり、軽水炉（水冷）と同じ出力のガス炉（空冷）を作ろうと思ったら、相当な大型の原子炉にする必要があるということです。
　No.1さんのリンク先でも、大型の「高温ガス炉」でも、電気出力は20万kW程度と書いてあり、軽水炉の最新のものは電気出力130万ｋWですから、1/6以下ということです。
　同じ出力を得るのに、建設コストが6倍だったら、普通は選択肢から外れるでしょう。

　現実には、日本初の原子力発電所である日本原子力発電株式会社の「東海原子力発電所1号機」は、軽水炉ではなく、炭酸ガス冷却の「ガス炉」でした。1965年に完成したものを、経済性の観点から1998年に廃炉にしています。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%9D%B1%E6%B5%B7%E7%99%BA%E9%9B%BB%E6%89%80

　「安く電気を起こせる」の根拠は、おそらく「天然ウランが使えるので、濃縮が不要」ということなのだと思いますが、放射性廃棄物の処理まで含めて全体のコストがどうなるのかは、よく分かりません。

　コスト以外の「安全性」では、出力密度が低ければ相対的に制御不能のリスクは低いと思います。
　ただ、「もんじゅ」の冷却に使う液体金属ナトリウムが、空気に触れると発火するように、「高温ガス炉」の冷却に使うヘリウムに空気が混入すると、ウラン燃料をコーティングした黒鉛（要するに「炭」と同じ）が発火する可能性もあるようで、いろいろな「不測の事態」「想定外の事象」を考えたときに、どの程度のリスクがあるのか、既存の軽水炉に比べてどうなのか、まだきちんと評価されていないと思います。

　研究開発レベルの技術に対する、産業レベルでのリスク評価は、今後の作業なのではないでしょうか。

　「冷却効率」という点から言えば、「空冷」は「水冷」に比べて圧倒的に効率が悪いです。

　「冷却効率」とは、原子炉でいえば、同じ大きさの原子炉から、どれだけの熱量（エネルギー）を取り出せるかということです。

　つまり、軽水炉（水冷）と同じ出力のガス炉（空冷）を作ろうと思ったら、相当な大型の原子炉にする必要があるということです。
　No.1さんのリンク先でも、大型の「高温ガス炉」でも、電気出力は20万kW程度と書いてあり、軽水炉の最新のものは電気出力130万ｋWですから、1/6以下ということ...続きを読む

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Q線膨張率と熱膨張係数について

線膨張率と熱膨張係数というのは同じものなのでしょうか？
鉄の線膨張率を調べると
100K 5.6×10^-6
293K 11.8×10^-6
500K 14.4×10^-6

とでてくるのですが、293K（20℃）から373K（100℃）まであげたときの伸びはどうやって求めればいいのでしょうか？
ある一定の熱膨張係数αがあるならば、伸びは↓で求められると思うのです。
α×L（元の長さ）×ΔT（上昇温度）

質問している内容自体あまり理解していないのですがよろしくお願いします。

Aベストアンサー

熱膨張係数は体膨張係数（体膨張率も同じ)を指し、当方性を仮定できる場合、線膨張率の3倍です。

線膨張率αが温度Ｔの関数α(t)として与えられている場合
伸びδは
　δ=∫α(t)LdT (1)
で与えられます。積分はこの場合、293K（20℃）から373K（100℃）まで行います。α(t)の3点での値が指定されている場合、
　　100K 5.6×10^-6
　　293K 11.8×10^-6
　　500K 14.4×10^-6
最も正確にはα(t)=aT^2+bT+c、すなわちＴの2次間数で近似して、係数a,b,cを上の値から求め、これを式(1)に用いてδを計算します。すこしラフに計算するなら293Kの値と500Kの値だけを用いてα(t)=pT+q
のように一次関数近似でp,qを求めて（1）によりδを計算します。最もラフにやるにはたとえば293Kの値で計算します。
　どれを用いるかは求められている計算精度によります。

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Qこのニュースは溶解炉ではなく融解炉の間違いでは？

https://www.google.co.jp/search?q=%E3%82%A2%E3%82%A4%E3%82%B7%E3%83%B3%E9%AB%98%E4%B8%98&num=30&hl=ja&client=firefox-a&hs=8Io&rls=org.mozilla:ja:official&prmd=imvnsu&source=univ&tbm=nws&tbo=u&sa=X&ei=-n2qT_eTHtD1mAXqmNXhBA&ved=0CGAQqAIoADAK&biw=1024&bih=516

融解と溶解
https://www.google.co.jp/search?q=%E6%BA%B6%E8%A7%A3%E3%81%A8%E8%9E%8D%E8%A7%A3&ie=utf-8&oe=utf-8&aq=t&rls=org.mozilla:ja:official&hl=ja&client=firefox-a

あるいは融解のための炉のことを溶解炉と呼ぶのでしょう...続きを読む

Aベストアンサー

融解と溶解ははっきりと区別されています。

固体を加熱だけで液体にする・・・・融解
物質を液体状態の他の物質（溶媒）にとかす・・・溶解

融解の起こる温度が融点です。鉄の融点は１５３５℃、銅の融点は１０８５℃です。
融解という言葉は融点が高いか低いかに関係なく使います。固体から液体への状態変化を表す言葉です。
溶解は混合物（液体）を作る操作になっています。その結果得られた液体が溶液です。
食塩水、砂糖水は水溶液です。溶解度は溶質が溶媒に溶ける限度を表している数値です。
溶媒は液体ですが溶質は固体、液体、気体のどの場合もあります。

融解も溶解も正式な学術用語です。中学校でも出てくる言葉です。

応用の分野で違った意味に使われることがあるというのは困ったことです。
仕方がないということもあるかもしれません。
現場ごとで行き当たりばったりで使われることも多いようです。

でも鉄を１５００℃でとかすのに対して「溶解」という言葉を使うというのはやはり疑問です。

溶融（もともとは熔融）という言葉が使われていたことは承知していますが溶解（熔解）が使われていたということは知りませんでした。アルミニウムの電解精錬では「溶融炉（熔融炉）」が使われています。「熔融電解」という言葉もありました。「熔」が漢字制限で使うことができなくなりました。音だけを取って「溶」に置き換えていました。熔は「熔岩」、「熔鉱炉」にも使っていたことからも分かりますが通常固体である物質が高温で溶けて液体になっていることを表そうとする時に使っていた漢字です。「溶」になれば意味が変わってしまいます。現在「熔融電解」という言葉は「融解電解」に変更されています。（高校の教科書でも大学入試でも「融解電解」です。「現場では溶融電解だ」と言い張っている人もいますがそれは音だけで言っていることです。そう言いはるのであれば「熔融」電解と書くべきです。）

「融」、「溶」はどちらも「とける」と読みます。
ところが「融ける」がまた漢字の使用制限に引っ掛かったようです。
国語辞典で「融ける」を探すと「溶けるに同じ」と出てきます。「融ける」にはｘという記号が付いています。
従って漢字の書き取りでは「氷がとける」に対して「溶ける」と書くのが正解になってしまいます。
そうすれば「氷がとけて水になる変化を何と呼ぶか」という問いに対して「溶解」と答えて正解だということになってしまいます。このように答えさせているＴＶのクイズ番組を見たこともあります。
もうむちゃくちゃです。

新聞にある記事であれば漢字制限に従っている可能性もあります。

融解と溶解ははっきりと区別されています。

固体を加熱だけで液体にする・・・・融解
物質を液体状態の他の物質（溶媒）にとかす・・・溶解

融解の起こる温度が融点です。鉄の融点は１５３５℃、銅の融点は１０８５℃です。
融解という言葉は融点が高いか低いかに関係なく使います。固体から液体への状態変化を表す言葉です。
溶解は混合物（液体）を作る操作になっています。その結果得られた液体が溶液です。
食塩水、砂糖水は水溶液です。溶解度は溶質が溶媒に溶ける限度を表している数値です。
溶媒は液体です...続きを読む

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QNi（ニッケル)の熱膨張係数はいくつ？

Ni（ニッケル)の熱膨張係数っていくつなんですか？私が調べたところだと13,4だったのですが友人の1人が調べたところ12,8でした。（ちなみに温度は同じ２０℃です。）
皆さんの持っている理科年表などではどうでしょうか？教えてください。

あと熱膨張係数の単位ってどうなんでしょう？
いろいろな本を調べると「１０＾－６／ｋ」とか「１０＾－６／ｄｅｇ」ｅｔｃ　ばらばらです。
どれがいったい正しいのですか？というか「～係数」だから１０＾－６だけでいいと思うんですがいかがなものでしょう。
回答お願いします。

Aベストアンサー

純ニッケル（Ｎi）の線膨張率について

　温度　　　　　　　線　膨　張　率
１５０Ｋ　　　　９.０　＊　１０^(-6)／Ｋ
２５０Ｋ　　　１２.４
３００Ｋ　　　１３.７
６００Ｋ　　　１５.９
８００Ｋ　　　１６.８

　　上記データは、日本機械学会「伝熱工学資料－改訂第４版」によります。

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Qマイクロ波加熱とジュール加熱の違い

マイクロ波加熱（電子レンジ）とジュール加熱の違いを素人にも分かりやすい説明をお願いします。
また、電気でいう高周波、電磁波でいう高周波の違いも絡めてくだされば、
幸いです。
よろしくおねがいします。

Aベストアンサー

マイクロ波加熱（電子レンジ）とジュール加熱の違いに就いては、Ｎｏ．１の方の回答が出ていまので蛇足になりますが、ジュール加熱は、平たくいうと電流を流して、その発熱で加熱することです。

高周波とは、高い周波数の交流や電波を指していますが、必ずしも周波数の、はっきりした数値の定義は無いようです。
交流では、数百Ｈｚ以上程度でも、そういうことがあります。
電波では、数ＭＨｚから数百ＭＨｚを指すことがあります。
また、テレビやラジオなどの受信機などでは、オーディオを低周波、アンテナ回路を高周波、その間を中間周波などということも有ります。

鋼材の表面焼入れの目的の高周波加熱などでは、数百ＫＨｚを使用します。
このくらいの高周波になると、電流は表面に集中して流れる性質があるので表面の焼入れができるのです。

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