CD dos Trabalhos Trimestrais

FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA

CURSO TÉCNICO EM ELETRÔNICA

TERMOREADER II - SUPERFUSÃO

ANDRÉ MORAES, 02

ANDRÉ ROHR, 03

FÁBIO DAMASCENO, 11

RODRIGO KOCH, 22

TURMA: 4312

PROFESSOR: LUIZ ANDRÉ MÜTZENBERG

Novo Hamburgo, 21 de Dezembro de 2004.

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1. RESUMO DO TRABALHO

Este trabalho tem como objetivo monitorar, de forma precisa e confiável, medidas

relativas ao fenômeno Superfusão, através de uma rotina computacional feita com o auxílio da

linguagem C, armazenando os resultados para um posterior estudo deste fenômeno.

Também objetivamos executar, na prática, teorias vistas em aula, comprovando-as.

Faremos experiências, a fim de comprovarmos a existência do fenômeno Superfusão.

A seguir apresentaremos uma Fundamentação Teórica para uma melhor compreensão do

assunto e, posteriormente, descreveremos a construção do projeto e os resultados obtidos, no

Desenvolvimento.



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2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 Linguagem C:

Linguagem utilizada para criar programas de computador. Utilizamos a linguagem “C”

no nosso trabalho para criar o software que faz a interpretação das medidas de temperatura

através da porta paralela.

2.2 Resistor:

Provoca uma determinada oposição à passagem de cargas elétricas (Resistência). É

representado pela letra R e sua unidade de medida é o Ohm (Ω). Os resistores são divididos em

duas categorias, fixos e variáveis. ). É representado pelo desenho (Figura 1):

Figura 1

Os resistores fixos são aqueles que possuem um determinado valor, e este não pode ser

alterado. Os resistores variáveis são aqueles que variam de acordo com o ajuste manual

(Potenciômetros ou Trimpots), os controlados pela luz (LDR – Light Depend Resistor) e os

controlados pela temperatura (PTC – Coeficiente de Temperatura Positivo e NTC – Coeficiente

de Temperatura Negativo).

Os valores comerciais mais comuns são aqueles que seguem a serie E-12 (10, 12, 15, 18,

22, 27, 33, 39, 47, 56, 68 e 82). Para valores maiores ou menores, basta multiplicar os números

por 0.01, 0.1, 10, 100… Cada resistor possui quatro anéis coloridos desenhados no componentes.

Para determinar-se o valor do resistor usa-se um código de cores de acordo com a cor dos anéis

do resistor.



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2.3. Capacitor

São componentes que, embora não conduzam corrente elétrica entre seus terminais são

capazes de armazenar certa corrente, que será "descarregada" assim que não houver resistência

entre seus terminais. Seu símbolo gráfico básico (Figura 2) é:

Figura 2

Quanto à sua aparência externa, podem variar de acordo com a tensão máxima,

capacitância e disposição de seus terminais. Classificam-se em vários tipos, de acordo com o uso

pretendido. Os capacitores eletrolíticos (de forma cilíndrica) são os mais comuns. Cerâmicos

(circular) também são encontrados com relativa facilidade, embora existam outros tipos usados

em casos específicos, como os de tântalo (em forma de “caixa de leite”) e os de alumínio.

A sua capacitância é medida em Farads. Dependendo do caso, pode ser medida em

microfarads, nanofarads ou picofarads, para capacitâncias menores. São úteis para manter estável,

por exemplo, uma corrente alternada, como um sinal de áudio ou então servem de filtro de baixa

(por isso a sua utilização em fontes de alimentação).

2.4 LM 35:

Componente eletrônico que atua como um sensor de temperatura de precisão. Tem sua

linearidade baseada em graus Celsius (º C), 10 mV a cada grau Celsius a mais na temperatura,

até um limite de 150ºC. Foi utilizado no nosso trabalho com o objetivo de monitorar a variação

das condições de temperatura.

2.5. Circuitos Integrados (C.I.):



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Os circuitos integrados são formados por elementos fixos instalados em um único suporte

semicondutor. Com os circuitos integrados abriram-se novos caminhos, em virtude de sua

miniaturização e da possibilidade de sua fabricação em série sendo responsáveis pela

miniaturização dos circuitos, a qual resultou em enorme diminuição tanto do preço como do

consumo de energia, além de favorecer o aumento da velocidade e precisão com que os sinais

elétricos são manipulados.

Atualmente, pode-se integrar milhares de transistores em superfície de apenas quarenta

milímetros quadrados, o que permite o processamento de sinais de amplitude mínima em

comunicações, informática, reprodução de imagem e som, etc.

2.6 Conversor Digital Analógico:

Circuito responsável pela conversão de um sinal digital em analógico. No nosso caso,

este circuito foi utilizado para converter o sinal que a porta paralela emite (digital ) em um sinal

que o circuito externo compreenda (analógico).

2.7 Porta Paralela

Porta que os microcomputadores possuem, utilizada para fazer a comunicação entre uma

impressora e a CPU, por exemplo.

2.8 Superfusão

A superfusão é denominada quando um material continua em seu estado liquido mesmo

à uma temperatura menor que sua temperatura de fusão ou maior que sua temperatura de

ebulição.

Esse fato ocorre devido à propriedade metaestável da matéria, ou seja, “estado que possui

precária estabilidade, podendo facilmente ser perturbado (...) uma pequena perturbação

determinará que um sistema em estado metaestável cairá para um nível de energia mais baixo”

(Isaacs, 1991; p. 172).



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Quando uma substância é superaquecida, continuará em estado líquido enquanto não for

perturbada. Esse experimento não pode ser feito utilizando chamas pois se formam correntes de

convecção, acabando com a estabilidade do sistema. Para que haja um superaquecimento sem

perturbação utiliza-se um forno de microondas sem o disco giratório. Se ocorrer algum

movimento, a temperatura baixa, para 100°C no caso da água, e a substância evapora.

Há também a possibilidade de esfriar uma substância abaixo de sua temperatura de fusão

sem que a mesma passe para o estado sólido, bastando que não haja movimento ou perturbação

do sistema. Se houver agitação, a substância se cristaliza e eleva sua temperatura para o ponto de

fusão.

No decorrer do desenvolvimento, mostraremos a experiência da superfusão da água e do

tiossulfato de sódio.



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3. DESENVOLVIMENTO

Tínhamos como desafio inicial a construção de um sistema, cuja função seria realizar

medidas automáticas de temperatura. Tal sistema de aquisição de dados deveria utilizar uma das

portas disponíveis em um microcomputador comum, além de ser programado em uma

linguagem de nossa escolha. Nossas opções de linguagem eram o uso do SUPERLOGO, C, ou

MATLAB. Quanto as portas disponíveis, poderíamos optar pela porta de jogos, paralela ou a

serial.

Optamos por utilizar a linguagem C para programar o nosso futuro programa. O fato de

estarmos tendo aulas de Elementos de Programação e termos o estimado Professor Lucas Luis

Gutkoski para dirimir uma eventual dúvida nos levou a selecionar esta linguagem de

programação.

Decidimos utilizar a porta paralela no nosso trabalho devido a esta poder ser controlada

por comandos predefinidos na linguagem em que optamos trabalhar – a linguagem C. Outro

motivo que nos levou a trabalhar com ela foi o fácil meio de se utilizar ela para a tarefa que nos

foi designada, e que, devido a muito empenho, concluímos com louvor.

3.1 O Hardware:

Escolhemos o componente LM35, por este se tratar de um sensor de temperatura preciso,

com variação linear e baixo custo. Os demais componentes do hardware (DAC0808, LM351 e

LM311) foram escolhidos segundo os mesmos critérios utilizados para a escolha do LM35. O

LM311 é um Comparador de Tensão com saída em nível lógico TTL. Ele compara as tensões dos

seus terminais 2 (Positivo) e 3 (Negativo). Caso a tensão (em relação ao referencial) no terminal 2



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seja maior do que a do 3, o componente “emite” uma tensão de 5V (1, em binário). Caso

contrário, o comparador “emite” 0V (0, em binário).

O resistor de 627R foi ajustado com tal valor, pois somente assim o valor máximo de

tensão analógica na saída do Conversor será igual à máxima do LM35 (1,5V).

Realizamos diversos testes que, em sua maioria, foram frustrados. Enfim, chegamos ao

seguinte circuito (figura 3):

Figura 3

3.2 O Sistema final:

Através do uso de um conector DB-25, ligamos as oito saídas da PP nas entradas digitais

do Conversor Digital-Analógico (ver Anexo 2). Cada valor assumido pelo “contador”, ao ser

transmitido às saídas da porta, é então convertido para um valor analógico, conforme mostrado

pela figura:



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Contador em função do tempo

0

100

200

300

1 62 123

184

245

306

367

428

489

550

611

672

733

Tempo (us)

Con

tado

r

Figura 4

O LM35 envia uma tensão (que varia em 10mV a cada ºC) de acordo com a temperatura

de seu encapsulamento. Esse sinal é então comparado ao sinal analógico proveniente da

Conversor Digital-Analógico, através do uso do LM311. No instante em que houver uma

mudança na saída desse comparador de tensão (de 0V para 5 V ou vice-versa), significa que os

dois valores são exatamente iguais naquele determinado momento. Conectamos então uma

entrada da PP na saída do LM311, a fim de ser possível monitorá-la.

Sabe-se que o valor analógico proveniente do Conversor equivale ao valor atualmente

assumido pela variável “contador”. Logo, no exato momento em que for percebida uma

mudança na saída do Comparador de Tensão, significa que o valor da variável “contador” (após

ser devidamente convertida, o que é realizado pelo comando “(float)contador*(1.36/255)/0.01)”

) representa a temperatura medida pelo Sensor de Temperatura.

3.3 Superfusão com o Tiossulfato de Sódio:

Uma substância pode se apresentar no estado líquido em temperaturas superiores à do seu

ponto de ebulição ou inferiores à do seu ponto de fusão. Quando isto acontece, a substância

encontra-se em um estado metaestável de superaquecimento ou de superfusão e se for perturbada,

por exemplo, agitada, ferve ou cristaliza de imediato.

É comum encontrar-se a afirmação de que a água líquida, na pressão de 1 atm, se

solidifica a 0oC e ferve (entra em ebulição) a 100ºC. Entretanto, tal informação é incorreta. O



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estado líquido pode existir a temperaturas superiores à do ponto de ebulição e a temperaturas

inferiores à do ponto de solidificação da substância (tais possibilidades ocorrem para outras

substâncias, além da água). Maiores detalhes podem ser encontrados no capítulo Fundamentação

Teórica. Realizamos então, dois experimentos, a fim de comprovarmos que o estado líquido pode

existir abaixo do ponto de fuso de uma certa substância.

No primeiro experimento, utilizamos o Tiossulfato de Sódio ou Hipossulfito de Sódio,

substância usada em laboratórios fotográficos e facilmente encontrada no comércio de produtos

químicos, cujo manuseio não oferece riscos à saúde. Trata-se de um cristal branco na temperatura

ambiente, sendo o seu ponto de fusão em torno de 47ºC. No estado líquido apresenta-se

transparente e inodoro como a água.

Colocamos os cristais de Tiossulfato em um tubo de ensaio, juntamente com um LM35,

componente eletrônico analógico utilizado como sensor de temperatura. Esse tubo foi imerso em

banho-maria. Esquentamos a água do banho-maria a uma temperatura de 72ºC, conforme medido

com o auxílio de um termômetro digital. Iniciamos as medições com o software, sendo que a

primeira temperatura registrada foi igual a 68,21ºC. Configuramos o software para que esse

realizasse medidas de 20s em 20s, prevendo que a experiência total deveria levar

aproximadamente meia hora. Notamos que os cristais dentro do tubo estavam lentamente

“derretendo”. Deixamos então o sistema repousar, sendo que a temperatura medida cada vez

baixava mais.



11

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5 30 32.5 35 37.5 40 42.5 4535

37.5

40

42.5

45

47.5

50

52.5

55

57.5

60

62.5

65

67.5

70Temperatura em função do tempo

Tempo (m in)

Tem

pera

tura

(ºC

)

Figura 5: Temperatura em função do tempo.

Após aproximadamente 7min e 30s, verificamos que a temperatura alcançou os 47ºC,

ponto de fusão do Tiossulfato de Sódio. A temperatura então permaneceu quase constante,

durante 2min. Isso ocorreu devido ao processo de fusão do Tiossulfato. Retiramos então o tubo

do banho, para que esfriasse, perdendo calor para o meio ambiente. Já líquido, a temperatura do

Tiossulfato baixou até alcançar 39ºC. Durante esse período de tempo, a substância encontrava-se

no estado metaestável chamado Superfusão.

Jogamos um cristal de Tiossulfato para dentro do líquido, agitando-o. A temperatura

ainda baixou alguns décimos, mas acabou por subir repentinamente para quase 47ºC (a

temperatura de fusão).

O rápido aumento da temperatura pode ser explicado pelo fato de que o pouco da

substância que cristalizou (inicialmente), teve que liberar energia, aquecendo toda a massa



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dentro do tubo. Em outras palavras, a solidificação implica uma diminuição da energia potencial

das moléculas do sistema. Como este processo é rápido, não há tempo para que o sistema ceda

calor para o meio ambiente. Esta perda de energia potencial determina um aumento da energia

cinética entre as moléculas, refletindo no aumento da temperatura de todo o sistema.

A partir de então a temperatura manteve-se praticamente constante, se desconsiderada a

pequena margem de erro do sistema de medição. Durante este período de tempo, ocorreu a

solidificação quase completa da substância. A parte já solidificada continuou então à ceder calor

para o meio ambiente, baixando a temperatura. O log dos dados medidos encontra-se em Anexos

02.

3.4 Superfusão com a Água:

Realizamos também a experiência da superfusão da água. Colocamos água em um tubo de

ensaio e este, foi colocado dentro de um balde de gelo. Foi colocado sal sobre o gelo para baixar

o ponto de fusão da água, diminuindo a temperatura do sistema. Como mostra a figura 06 abaixo:

Colocamos o LM 35 dentro do tubo de ensaio para monitorar a temperatura do sistema.

Definimos que a experiencia teria a duração de 780 segundos, 13 minutos, e que as medições

seriam realizadas a cada dez segundos, como mostra o anexo 03.

Figura 6: Experiência da Superfusão com a água.



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Utilizamos também um termômetro para dar maior credibilidade as medições realizadas

pelo nosso sistema. Como seria quase impossível monitorarmos a temperatura a cada 10

segundos com o termômetro, decidimos que a cada 1 minuto compararíamos a temperatura do

nosso sistema com a do termômetro.

Consideramos que, em relação as medidas do termômetro, as medições realizadas pelo

nosso sistema estão bastante precisas, apesar de o termômetro não ser muito preciso. Fizemos o

gráfico das medições feitas pelo nosso sistema, da temperatura em função do tempo (figura 07).

As falhas das medições devem-se ao fato de utilizarmos um LM 35, que tem um

invólucro de silício, o que faz com que a sua resposta para rápidas variações de temperatura ser

um pouco demorada. E também, pois podem ocorrer algumas falhas no nosso software.

Superfusão da água

-5

0

5

10

15

20

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Tempo (s)

Tem

pera

tura

(°C

)

Figura 7 - Superfusão da água.

Após aproximadamente 410s, verificamos que a temperatura alcançou os 0ºC, ponto de

fusão da água. A temperatura então passou a diminuir muito mais lentamente. Isso ocorreu



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devido ao processo de fusão que sofria a água. Retiramos então o tubo do banho, para que

esfriasse, perdendo calor para o meio ambiente. Ainda líquida, a água baixou de temperatura

baixou até alcançar –1.45ºC. Durante esse período de tempo, a substância encontrava-se no

estado metaestável chamado Superfusão.

Retiramos então o tubo do banho-maria, e provocamos um choque mecânico nele,

agitando-o. A temperatura ainda baixou alguns décimos, mas acabou por subir repentinamente

para aproximados 0ºC (a temperatura de fusão).

O rápido aumento da temperatura pode ser explicado pelo fato de que o pouco da






A partir de então a temperatura manteve-se praticamente constante, se desconsiderada a

pequena margem de erro do sistema de medição. Durante este período de tempo, a água estava

em uma temperatura pouco abaixo de 0ºC, fazendo com que não congelasse por completo, mas

as partes já congeladas também não fundissem.



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4. CONCLUSÃO

Através do cumprimento da tarefa que nos designaram – utilizar o sistema capaz de fazer

medidas automatizadas de temperatura que criamos, como ferramenta para o estudo da

Superfusão – concluímos certas coisas.

A primeira delas é de que este trabalho é, com certeza, multidisciplinar. Mesmo sendo

um trabalho de física, para conseguir chegar ao êxito, usamos também nossas habilidades

referentes às matérias Elementos de Programação e Eletrônica. Isto, sem dúvida, é algo bom,

pois pudemos exercitar nossos conhecimentos de outras matérias que estamos estudando.

Concluímos também que este trabalho é um bom meio de fazer nós, alunos, nos unirmos

para discutir idéias e suposições para se alcançar o objetivo vigente. Isto é algo excelente, pois

nos faz pensar mais, buscar idéias e, principalmente, trabalhar em grupo, coisa que é vital no

mercado de trabalho atual.

Notamos que havia uma certa defasagem em relação às medições do termômetro e do

LM35. Como foi citado anteriormente no desenvolvimento, isso se deve ao fato do termômetro

ser mais sensível a mudanças de temperatura que o sensor do LM35.

Ao se trabalhar com uma temperatura baixa (mais ou menos 0ºC) e em um estado

metaestável, é necessário que, para que haja superfusão, o recipiente no qual está contido o

líquido não possua imperfeições. Tais imperfeições podem “funcionar” como pontos de

cristalização, o que inviabilizaria a experiência (como comprovamos quando o cristal de gelo

começou a se formar em torno do LM35).

O Rápido aumento da temperatura pode ser explicado pelo fato de que o pouco da




16





Posteriormente, a parte já solidificada continuou então à ceder calor para o meio ambiente,

baixando a temperatura.



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5. BIBLIOGRAFIA

• Utilização do Caderno de Aula dos componentes do grupo.

• www.datasheetcatalog.com; Site onde encontram-se as especificações técnicas dos

mais variados componentes eletrônicos. Última Data de Atualização: 14/07/04.

• www.eletricanize.hpg.ig.com.br; O site da Eletrônica, Última Data de Atualização:

12/05/04.

• www.senet.com.au/~cpeacock; Site que contém informações sobre Portas Paralelas,

Última Data de Atualização: não disponível.

• SILVEIRA, Fernando Lang. Transições de fase e experimentos com estados

metaestáveis. Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul,

Porto Alegre.2004



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- ANEXOS -



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ANEXO 01 – CÓDIGO FONTE DO SOFTWARE

#include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <conio.h> #include <dos.h> unsigned char resposta, contador,ma,mv=128; FILE *ponteiro; void fwrite (void){ ponteiro = fopen("dados.txt", "a+"); fprintf(ponteiro,"%.2f\n",(float)contador*(1.36/255)/0.01); fclose(ponteiro); } void rampa(void){ clrscr(); printf("Processando....\n\n"); do{ for(contador=0;contador<255;contador++) { outportb(0x378,contador); delay(1.96); ma=inportb(0x379); if (mv!=ma&&contador!=0){ contador--; printf("\nA temperatura ‚:%.2f",(float)contador*(1.36/255)/0.01); fwrite(); contador++; } mv=ma; } } while(!kbhit()); } void main(void){ char geral;; menu: clrscr();



20

printf("\n\n Escolha :\n\n"); printf(" 1. Iniciar Medi‡äes:\n 2. Sair\n\n Op‡Æo: "); escolha: geral=getche(); switch (geral) { case '1': rampa(); break; case '2': fclose(ponteiro); exit(0); default: printf("\n Opcao Inv lida, Digite um numero de 1 a 2: "); goto escolha; } getch(); goto menu; }

A função “main” é a função principal do programa. Nela, são executadas todas as outras

funções. Ao iniciar o programa, é perguntado ao usuário se esse deseja iniciar as medições ou

sair do programa. Caso o usuário pressione a tecla “1”, a função “rampa” passará a ser

executada. O programa, então, executará uma série de comandos (aqueles inseridos no laço

“for”) infinitas vezes, até que o usuário pressione uma tecla qualquer.

A função “write” é a responsável por escrever os dados nos logs, sempre adicionando o

novo dado, uma linha abaixo do anterior.

Dentro desse laço “for”, é feita uma contagem, de 0 à 255, sendo que a cada número

contado, a variável “contador” assume tal valor. O programa então “emite” (através do comando

outportb) em forma de número binário (0000 0000, para 0, e 1111 1111, para 255) o valor de

“contador”, colocando-o na saída da Porta Paralela. Cada vez que “contador” muda de valor, o

programa lê uma entrada da Porta Paralela (através do comando inportb).



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ANEXO 2 – LOG DE DADOS DA SUPERFUSÃO COM O TIOSSULFATO DE SÓDIO

68.21 66.78 65.67 64.52 63.34 62.23 61.12 60.02 58.92 57.83 56.75 55.81 54.92 54.16 53.32 52.42 51.83 51.34 50.73 50.08 49.34 48.65 47.56 47.23 47.25 47.23 47.18 47.12 47.15 47.02 46.12 45.87 45.45 45.32 45.01 44.68 44.42 44.15 43.69 43.48 43.15 42.99 42.78 42.55 42.24 41.86 41.67 41.46



22

41.12 41.20 40.98 40.82 40.38 40.35 39.76 39.55 39.54 39.34 46.42 46.48 46.42 46.48 46.42 46.46 46.54 46.51 46.76 46.78 46.72 46.82 46.94 46.94 46.94 46.94 46.94 46.87 46.87 46.94 46.87 46.94 46.87 46.87 46.94 46.94 46.94 46.78 46.94 46.94 46.94 46.87 46.94 46.94 46.94 46.94 46.94 46.94 46.87 46.94 46.94 46.94 46.94 46.94 46.78 46.94 46.87 46.94 46.94 46.94



23

46.94 46.87 46.94 46.94 46.78 46.94 46.24 45.87 44.46 44.02 43.64 43.15 42.76 42.41 42.07 41.78



24

ANEXO 3 - LOG DE DADOS DA SUPERFUSÃO COM A ÁGUA

18,87 17,56 16,24 15,65 14,85 14,02 13,65 12,54 11,69 10,75 10,18 9,87 9,15 8,48 7,91 7,12 6,57 6,05 5,75 5,29 4,75 4,24 3,75 3,48 3,01 2,76 2,48 1,99 1,46 1,28 1,05 0,85 0,71 0,67 0,62 0,55 0,49 0,42 0,37 0,33 0,28 0,22 0,16 0,08 0,01 -0,08 -0,15 -0,2



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-0,27 -0,33 -0,45 -0,52 -0,58 -0,69 -0,76 -0,82 -0,89 -1,08 -1,15 -1,19 -1,26 -1,33 -1,38 -1,4 -1,45 -1,33 -0,45 -0,34 -0,27 -0,22 -0,18 -0,15 -0,18 -0,22 -0,15 -0,15 -0,12 -0,15 -0,18



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