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文檔簡介
1、1 內(nèi)能是物質(zhì)內(nèi)部一切微觀粒子所具有的能量的總和。內(nèi)能是物質(zhì)內(nèi)部一切微觀粒子所具有的能量的總和。熱力學(xué)第一定律:能量轉(zhuǎn)換與守恒定律熱力學(xué)第一定律:能量轉(zhuǎn)換與守恒定律 熱力學(xué)第二定律:克勞修斯說法:不可能把熱從低溫物熱力學(xué)第二定律:克勞修斯說法:不可能把熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其他變化,揭示能量體傳至高溫物體而不引起其他變化,揭示能量“質(zhì)質(zhì)”的屬的屬性性 熱力學(xué)第三定律:熱力學(xué)第三定律:0 K0 K時(shí)純物質(zhì)完美晶體的熵等于零時(shí)純物質(zhì)完美晶體的熵等于零 節(jié)能的實(shí)質(zhì):防止和減少能量貶值現(xiàn)象的發(fā)生節(jié)能的實(shí)質(zhì):防止和減少能量貶值現(xiàn)象的發(fā)生熱力系統(tǒng)(系統(tǒng)):熱力系統(tǒng)(系統(tǒng)):相互作用的物體中取出的
2、研究對象。相互作用的物體中取出的研究對象。系統(tǒng)的邊界:系統(tǒng)的邊界:系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)與外界的分界面 固定的、移動的、真實(shí)的、假想的固定的、移動的、真實(shí)的、假想的能量交換能量交換:熱和功:熱和功物質(zhì)交換物質(zhì)交換:物質(zhì)的流進(jìn)和流出,伴隨著能量的交換:物質(zhì)的流進(jìn)和流出,伴隨著能量的交換開口系統(tǒng)(流動系統(tǒng)):開口系統(tǒng)(流動系統(tǒng)):有物質(zhì)交換和能量交換有物質(zhì)交換和能量交換閉口系統(tǒng):閉口系統(tǒng):無物質(zhì)交換無物質(zhì)交換孤立系統(tǒng):孤立系統(tǒng):無物質(zhì)交換和能量交換無物質(zhì)交換和能量交換絕熱系統(tǒng):絕熱系統(tǒng):無熱量交換無熱量交換2.1.2. 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)熱力狀態(tài)(狀態(tài)):熱力狀態(tài)(狀態(tài)):某一瞬間的宏觀物理狀況某一
3、瞬間的宏觀物理狀況平衡狀態(tài):平衡狀態(tài):在不受外界影響的條件下,系統(tǒng)宏觀性質(zhì)不隨時(shí)在不受外界影響的條件下,系統(tǒng)宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改變的狀態(tài),如溫度、壓力、組成等間改變的狀態(tài),如溫度、壓力、組成等滿足滿足力平衡力平衡、熱平衡熱平衡和和化學(xué)平衡化學(xué)平衡的狀態(tài)(不存在不平衡勢)的狀態(tài)(不存在不平衡勢)穩(wěn)定狀態(tài)?穩(wěn)定狀態(tài)?2.1.3. 狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)方程式狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)方程式狀態(tài)參數(shù):狀態(tài)參數(shù):描述系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的物理量,是狀態(tài)的單值函數(shù)描述系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的物理量,是狀態(tài)的單值函數(shù)強(qiáng)度量(強(qiáng)度性質(zhì)):壓力P、溫度T、組成 x 等;不可加量廣延量(容量性質(zhì)):容積V、內(nèi)能 U、焓 H、熵 S 等;可加量廣延量/
4、質(zhì)量 轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度量(1)(1)溫度溫度溫標(biāo):溫標(biāo):衡量溫度的標(biāo)尺衡量溫度的標(biāo)尺t(攝氏溫度)= T(熱力學(xué)溫度,開爾文溫度,或稱絕對溫度) 273.15(2)(2)比容和密度比容和密度比容:比容:單位質(zhì)量物質(zhì)所占有的容積單位質(zhì)量物質(zhì)所占有的容積 m m3 3/kg/kg密度:密度:比容的倒數(shù)比容的倒數(shù) m m3 3/kg/kg(3)(3)壓力壓力單位:單位:工程大氣壓(工程大氣壓(atat)1at = 1kgf/cm1at = 1kgf/cm2 2 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm(atm)1atm = 760 mmHg1atm = 760 mmHg測量儀器:測量儀器:差壓計(jì)(壓力表或真空表)差壓
5、計(jì)(壓力表或真空表)表壓表壓 (P(Pg g) = ) = 絕對壓力絕對壓力 (P)- (P)- 大氣壓大氣壓 (P(P0 0) )真空度真空度 (P(Pv v) = ) = 大氣壓大氣壓 (P(P0 0) - ) - 絕對壓力絕對壓力 (P)(P)真空度真空度 (P(Pv v) = - ) = - 表壓表壓 (P(Pg g) )單位質(zhì)量單位質(zhì)量mVv vVm1狀態(tài)公理:狀態(tài)公理:對于組成一定的物質(zhì)系統(tǒng)若存在對于組成一定的物質(zhì)系統(tǒng)若存在 n n 種可逆功(系統(tǒng)種可逆功(系統(tǒng)進(jìn)行可逆過程時(shí)和外界所交換的功量)的作用,則決定該系進(jìn)行可逆過程時(shí)和外界所交換的功量)的作用,則決定該系統(tǒng)平衡態(tài)的獨(dú)立狀態(tài)
6、參數(shù)有統(tǒng)平衡態(tài)的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)有 n + 1 n + 1 個(gè)。個(gè)。簡單可壓縮系統(tǒng):簡單可壓縮系統(tǒng):與外界交換功量的模式中只有容積功的系統(tǒng)與外界交換功量的模式中只有容積功的系統(tǒng)物質(zhì)的狀態(tài)方程式:物質(zhì)的狀態(tài)方程式:F (p, v, T) = 0F (p, v, T) = 02.1.4. 功和熱量功和熱量功(功(W)W):系統(tǒng)對外界的單一效果歸結(jié)為提升一個(gè)重物,則說系系統(tǒng)對外界的單一效果歸結(jié)為提升一個(gè)重物,則說系統(tǒng)作了功。統(tǒng)作了功。 系統(tǒng)對外做功為正,得到功為負(fù)。系統(tǒng)對外做功為正,得到功為負(fù)。熱量熱量(Q)(Q):由于溫差引起的,系統(tǒng)與外界之間發(fā)生的能量轉(zhuǎn)移。由于溫差引起的,系統(tǒng)與外界之間發(fā)生的能量轉(zhuǎn)
7、移。 系統(tǒng)吸熱為正,放熱為負(fù)。系統(tǒng)吸熱為正,放熱為負(fù)。2.1.5. 可逆過程可逆過程耗散效應(yīng):耗散效應(yīng):使功變?yōu)闊岬男?yīng)。使功變?yōu)闊岬男?yīng)。非平衡損失:非平衡損失:有限溫差下的傳熱過程有限溫差下的傳熱過程有限壓差有限壓差混合過程(化學(xué)勢差)混合過程(化學(xué)勢差) 可逆過程是理想化的極限過程,可以作出最大的功或消耗最可逆過程是理想化的極限過程,可以作出最大的功或消耗最少的功,為評價(jià)實(shí)際能量轉(zhuǎn)換過程提供了理想的標(biāo)準(zhǔn)。少的功,為評價(jià)實(shí)際能量轉(zhuǎn)換過程提供了理想的標(biāo)準(zhǔn)。輸入系統(tǒng)的能量輸入系統(tǒng)的能量 - - 輸出系統(tǒng)的能量輸出系統(tǒng)的能量 = = 系統(tǒng)儲存能量的變化系統(tǒng)儲存能量的變化宏觀動能:宏觀動能:mcm
8、c2 2/2/2宏觀位能:宏觀位能:mgzmgz系統(tǒng)內(nèi)部的微觀能量(內(nèi)能):系統(tǒng)內(nèi)部的微觀能量(內(nèi)能):U U2.2.1. 閉口系統(tǒng)能量恒算式閉口系統(tǒng)能量恒算式 Q = U + W Q = U + W 對單位質(zhì)量對單位質(zhì)量 q = u + w q = u + w 對微元過程對微元過程 q = du + w q = du + w2.2.2. 穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算物質(zhì)流轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)的能量為:m1m2QWm (u+ pv + c2/2 + gz) = m (h + c2/2 + gz) h = u + pvH = U + pV2.2.2. 穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算穩(wěn)定流動開
9、口系統(tǒng)能量衡算開口系統(tǒng)的能量衡算式為:m1m2QWdU =Q W + m1(h1 + c12/2 + gz1) m2 (h2 + c22/2 + gz2) Q = m2 (h2 + c22/2 + gz2) m1(h1 + c12/2 + gz1) +W + dU 穩(wěn)定流動:穩(wěn)定流動:空間各點(diǎn)參數(shù)不隨時(shí)間變化的流動過程空間各點(diǎn)參數(shù)不隨時(shí)間變化的流動過程(1 1)熱和功的交換不隨時(shí)間而變;)熱和功的交換不隨時(shí)間而變;(2 2)物質(zhì)交換不隨時(shí)間而變;)物質(zhì)交換不隨時(shí)間而變;(3 3)進(jìn)、出口截面參數(shù)不隨時(shí)間而變)進(jìn)、出口截面參數(shù)不隨時(shí)間而變dU =Q W + m1(h1 + c12/2 + gz1
10、) m2 (h2 + c22/2 + gz2) dU =0, m1 = m2Q = H + m c2/2 + mg z + WQ = out mi(h + c2/2 + gz)i in mi(h + c2/2 + gz)i + W熱力學(xué)第一定律指出了能量的同一性,熱力學(xué)第一定律指出了能量的同一性,“量量”的屬性;不能解的屬性;不能解釋釋“質(zhì)質(zhì)”的屬性的屬性如:功和熱,高溫?zé)崤c低溫?zé)幔蝗纾汗蜔?,高溫?zé)崤c低溫?zé)幔粺崃W(xué)第二定律指出了能量的熱力學(xué)第二定律指出了能量的“質(zhì)質(zhì)”的屬性,的屬性,說明過程進(jìn)行的說明過程進(jìn)行的方向、條件及限制。方向、條件及限制。開爾文說法:不可能從單一熱源吸收熱量使之完全變
11、成有用功而不產(chǎn)生其他影響。普朗克說法:不可能制造一個(gè)機(jī)器,使之在循環(huán)動作中把一重物升高,而同時(shí)使一熱源冷卻。TS12卡諾定理:在兩個(gè)不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的所有熱機(jī),不可能有任何熱機(jī)的效率比可逆熱機(jī)的效率更高。熱效率:c = 1- T2 / T1結(jié)論:提高熱效應(yīng)的根本途徑:提高熱源溫度、降低冷源溫度以及盡可能減少不可逆因素。熱效率:c = 1- T2 / T1最大有用功(以環(huán)境溫度為限):W = Q(1- T0 / T1) 熵流:由于熱流引起的熵的變化 熵產(chǎn):由于系統(tǒng)內(nèi)部和外部的不可逆性引起系統(tǒng)熵的變化 孤立系統(tǒng)或絕熱系統(tǒng)的熵可以增大,或保持不變,但不可能減少(熱力學(xué)第二定律的另一種表述)
12、不可逆性引起的做功能力損失為:孤立STEL0 適用于任何系統(tǒng)的熵衡算方程式:進(jìn)入系統(tǒng)的熵 + 不可逆性引起的熵產(chǎn)量 = 離開系統(tǒng)的熵 + 系統(tǒng)熵的變化 進(jìn)、出系統(tǒng)的熵包括:進(jìn)、出系統(tǒng)的物質(zhì)流所攜帶的熵,以及因可逆?zhèn)?熱所引起的熵變 對閉口系統(tǒng)21HQSSSST產(chǎn)對開口系統(tǒng)(既有能量交換又有物質(zhì)交換) 對穩(wěn)定流動系統(tǒng)(系統(tǒng)參數(shù)不隨時(shí)間而變) 對單股穩(wěn)流系統(tǒng) (min = mout = m)CVioutiinHdSmsdSmsTQ)()(/產(chǎn)ioutiinHmsdSmsTQ)()(/產(chǎn)0CVdSinoutmsSmsS12,T - S 圖 (可逆過程熱量)21TdsqreTS12作業(yè):1、推導(dǎo)氣體可
13、逆恒壓加熱或冷卻過程的熵變s2、推導(dǎo)氣體可逆恒溫膨脹或壓縮過程的熵變s 能量的轉(zhuǎn)換過程具有方向性或不可逆性 能量的轉(zhuǎn)換能力(能量轉(zhuǎn)換為功的能力或做功能力) 能量的可利用性分為三類:(a)具有完全轉(zhuǎn)換能力的能量,如機(jī)械能、電能等;(b)具有部分轉(zhuǎn)換能力的能量,如熱能、內(nèi)能或焓等;(c)完全不具有轉(zhuǎn)換能力的能量,如處于環(huán)境溫度下的熱能等卡諾熱機(jī)的熱效率:c = 1- T0 / T1 能量的火用(有效能):轉(zhuǎn)換為有用功的那部分能量 能量的火無(無效能):不能轉(zhuǎn)換為有用功的那部分能量 任何一種形式的能量可表示成 能量 = 火用 + 火無作業(yè)3:分析第一類能量,第二類能量和第三類能量的 火用 和 火無。
14、 自然環(huán)境是自然環(huán)境是 火用火用 的自然零點(diǎn)的自然零點(diǎn) 自然環(huán)境是一種概念性的環(huán)境自然環(huán)境是一種概念性的環(huán)境 定環(huán)境模型:環(huán)境是確定不變的。定環(huán)境模型:環(huán)境是確定不變的。斯蔡古特的環(huán)境模型:斯蔡古特的環(huán)境模型:(1). (1). 環(huán)境溫度環(huán)境溫度 T T0 0 = 298.15 K = 298.15 K,環(huán)境壓力,環(huán)境壓力 P P0 0 = 1atm = 1atm(2). (2). 環(huán)境由若干基準(zhǔn)物構(gòu)成。每一種元素都有其對應(yīng)的基準(zhǔn)物和基準(zhǔn)反應(yīng)環(huán)境由若干基準(zhǔn)物構(gòu)成。每一種元素都有其對應(yīng)的基準(zhǔn)物和基準(zhǔn)反應(yīng)。(3). (3). 基準(zhǔn)物的自由焓較小基準(zhǔn)物的自由焓較小龜山龜山- -吉田模型:吉田模型:(
15、1). (1). 氣態(tài)基準(zhǔn)物的組成氣態(tài)基準(zhǔn)物的組成(2). (2). 其他元素以在其他元素以在 T T0 0, P, P0 0 下純態(tài)最穩(wěn)定的物質(zhì)作為基準(zhǔn)物下純態(tài)最穩(wěn)定的物質(zhì)作為基準(zhǔn)物 系統(tǒng)與環(huán)境處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)時(shí),火用 值為零; 完全的熱力學(xué)平衡:熱平衡、力平衡和化學(xué)平衡 不完全的熱力學(xué)平衡:熱平衡、力平衡 物理 火用:取不完全平衡環(huán)境狀態(tài)作為基準(zhǔn)態(tài),一個(gè)系統(tǒng)的能量具有的火用 物理 火用 + 化學(xué)火用 :取完全平衡環(huán)境狀態(tài)作為基準(zhǔn)態(tài) 化學(xué) 火用:取完全平衡環(huán)境狀態(tài)作為基準(zhǔn)態(tài),因化學(xué)不平衡所具有的火用2. 4. 2 機(jī)械形式能量的火用機(jī)械形式能量的火用 動能 火用:c2 / 2 位能 火用:
16、g z 封閉系統(tǒng): 無容積變化, Ew = W 有容積變化, Ew = W12 p0 (V2 V1) Aw = p0 (V2 V1) V1V2T0 , p02. 4. 3 熱量熱量 火用火用 熱量 火用:系統(tǒng)所傳遞的熱量用可逆方式所能作出的最大有用功熱量 火用)120SSTQEQ()(120SSTAQS熱量 火無S1S21243TT0EQAQ例2 - 2 把100 kPa、127 的1kg 空氣可逆定壓加熱到427 ,試求所加熱量 中的火用 和 火無??諝獾钠骄▔罕葻崛?cp = 1.004 kJ/(kg K)。設(shè)環(huán)境大氣溫度為 27 。1)T T0 相同熱量的情況下,熱量的溫度越高,熱量中
17、的 火用 值越大;2)T T0 熱量 火用 總是小于熱量; T T0 冷量 火用 可以大于熱量;T /K300T004)在溫差相同、傳熱量相同的條件下,低溫時(shí)的 火用 損失比高溫時(shí)大得多;單位熱量的 火用 : = EQ /Q 例2-3 在某一低溫裝置中將空氣自600kPa 和27 定壓預(yù)冷至-100 ,試求1 kg空氣所獲冷量的 火用 和火無 。空氣的平均定壓比熱容為 1.0 kJ /(kg K)。設(shè)環(huán)境大氣的溫度為 27 。2. 4. 4 封閉系統(tǒng)的封閉系統(tǒng)的 火用火用 封閉系統(tǒng)的 火用: 封閉系統(tǒng)從給定狀態(tài)以可逆方式轉(zhuǎn)變到環(huán)境狀態(tài),并只與環(huán)境交換熱量時(shí)所能作出的最大有用功。P, T, u,
18、 SP0, T0, u0, S0max,0Awdvpduq封閉系統(tǒng)的能量方程0/Tqds可逆過程dsTdvpduwdeA00max,封閉系統(tǒng)的 火用)()(000001max,ssTvvpuuweA)()(00000ssTvvpueua封閉系統(tǒng)的 火無封閉系統(tǒng)的 火用:)()(000001max,ssTvvpuuweA)()(2102102121max,ssTvvpuueewA從狀態(tài)1可逆變化到狀態(tài)2時(shí)所作的最大有用功:對比:穩(wěn)定流動系統(tǒng)的 火用: 穩(wěn)定物流經(jīng)可逆方式與環(huán)境交換熱量時(shí)所能作出的最大有用功。 2. 4. 5 穩(wěn)定流動系統(tǒng)的穩(wěn)定流動系統(tǒng)的 火用火用 Awgdzdcdhq2/20穩(wěn)流
19、能量方程熵方程gdzdcdsTdhwdeA2/20max,gzcssThhweA2/)()(2000max,穩(wěn)定流動系統(tǒng)的 火用00/dsqT37從狀態(tài)1可逆變化到狀態(tài)2時(shí)所作的最大有用功:)(2/ )()(2122212102121max,zzgccssThheewA)(000ssTha穩(wěn)定流動系統(tǒng)的 火無 作業(yè): 4、從穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用 推導(dǎo)穩(wěn)定流動系統(tǒng)的 火無; 5、從穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用 推導(dǎo)“從狀態(tài)1可逆變化到狀態(tài)2時(shí)所作的最大有用功”)()(000max,ssThhweA焓 火用:不考慮宏觀動能和位能gzcssThhweA2/)()(2000max,穩(wěn)定流動系統(tǒng)的 火用例2-4 設(shè)
20、有一空氣絕熱透平,空氣的進(jìn)口狀態(tài)為 600 kPa、200 ,宏觀速度為 160 m/s,出口狀態(tài)為 100 kPa、40 和 80 m/s。試求 (1) 空氣在進(jìn)、出口狀態(tài)下的焓 火用 ; (2)透平的實(shí)際輸出功;(3)透平能夠作出的最大有用功??諝獾亩▔罕葻崛轂?.01 kJ/(kg K),環(huán)境大氣狀態(tài)為100 kPa、17 。2. 4. 6 化學(xué)反應(yīng)的最大有用功化學(xué)反應(yīng)的最大有用功穩(wěn)定流動系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)AWHQQ: 化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)與外界的熱量交換(反應(yīng)熱)H = H2 H1 化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)焓的變化(反應(yīng)焓)產(chǎn)STQS/定溫條件下,化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)熵的變化穩(wěn)定流動系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)AT ST SHW 產(chǎn)m
21、axAT SHW ,maxAWHT SG ,結(jié)論:可逆定溫系統(tǒng)作出的最大反應(yīng)有用功等于系統(tǒng)自由焓的減少。 0產(chǎn)ds可逆條件)(00maxSTHWA,ifRijfpjHnHnH)()(000標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下化學(xué)反應(yīng)的最大有用功標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下化學(xué)反應(yīng)的焓變000iRijpjSnSnS標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下化學(xué)反應(yīng)的熵變jfPjifRiAGnGnGW)()(000max,(標(biāo)準(zhǔn)態(tài)生成自由焓)例 2-5 在298.15 K 和 1 atm 下, CO 和 O2 進(jìn)行燃燒反應(yīng)生成 CO2 。反應(yīng)前反應(yīng)物 CO 和 O2 不進(jìn)行混合,試求此化學(xué)反應(yīng)的最大反應(yīng)有用功。例 2-6 在例2-5的反應(yīng)中加入惰性氣體 N2 ,該氣體不參加反應(yīng)
22、,其反應(yīng)式為 CO + O2 /2 + 1.88 N2 = CO2 + 1.88 N2 反應(yīng)前后反應(yīng)物和生成物都進(jìn)行混合,反應(yīng)前后物系總壓仍為 1 atm,溫度仍為 298.15 K。試求此反應(yīng)過程的最大反應(yīng)有用功。2. 4. 7 氣體的擴(kuò)散氣體的擴(kuò)散 火用火用 在 P0 、T0 下的氣體可逆定溫地轉(zhuǎn)變到其在環(huán)境空氣中的分壓力 Pi0 時(shí)所能 作出的最大有用功。STSTHGWEAD00max)(,氣體的擴(kuò)散 火用 )/ln(00ppmRSi00000ln)/ln(iiDRTppRTe單位質(zhì)量氣體的擴(kuò)散 火用 2. 4. 8 元素和化合物的化學(xué)元素和化合物的化學(xué) 火用火用 基準(zhǔn)物和基準(zhǔn)反應(yīng) 基準(zhǔn)
23、反應(yīng):一種非基準(zhǔn)物質(zhì)(包括元素、單質(zhì)和化合物)與一種或幾種基準(zhǔn)物在 P0、T0 下發(fā)生化學(xué)反應(yīng),而反應(yīng)物和生成物均為P0、T0 下的純物質(zhì)。 標(biāo)準(zhǔn)化學(xué) 火用:用環(huán)境模型計(jì)算的物質(zhì)化學(xué) 火用。 環(huán)境模型中的基準(zhǔn)物化學(xué) 火用 為零 元素的化學(xué) 火用:元素與環(huán)境物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)變成基準(zhǔn)物所提供的最大化學(xué)反應(yīng)有用功。 元素的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué) 火用:化學(xué)反應(yīng)在規(guī)定的環(huán)境模型中進(jìn)行,則提供的最大化學(xué)有用功即為 元素的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué) 火用 空氣中所含組分的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué) 火用: 擴(kuò)散 火用 純態(tài)化合物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾化學(xué) 火用:000fjjchGEnE 例 2-7 試用龜山-吉添田環(huán)境模型求碳(石墨)的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué) 火用 例 2-8 試用龜山-吉添田環(huán)境模型求甲烷 CH4 氣體的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué) 火用 附錄1 和 附錄 2 (無機(jī)與有機(jī)化
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