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第五章细胞的能量供应和利用第一节降低化学反应活化能的酶一、酶的作用和本质1．细胞代谢(1)场所：活细胞内。
(2)实质：各种化学反应的总称。
(3)意义：细胞生命活动的基础。
2．酶在细胞代谢中的作用——比较过氧化氢在不同条件下的分解(1)实验原理：过氧化氢在水浴加热、FeCl3溶液中的Fe3＋和肝脏研磨液中过氧化氢酶的作用下加速分解。
(2)实验步骤和实验现象试管步骤相同处理向4支试管中分别加入2 mL过氧化氢溶液不同处理不处理放在90 ℃左右的水浴中加热滴入2滴FeCl3溶液滴入2滴肝脏研磨液现象气泡基本无少较多很多带火星卫生香无复燃有复燃复燃性较强复燃性很强(3)实验结论：酶具有催化作用，同无机催化剂相比，催化效率更高。
3．控制变量和对照实验(1)自变量：人为控制的对实验对象进行处理的因素叫作自变量。
(2)因变量：因自变量改变而变化的变量叫作因变量。
(3)无关变量：除自变量外，实验过程中还存在一些对实验结果造成影响的可变因素，叫作无关变量。
控制变量的科学方法：（4）对照实验：除作为自变量的因素外，其余因素(无关变量)都保持一致，并将结果进行比较的实验叫作对照实验。
对照实验的类型和对照组、实验组的判断：1．空白对照设置两组实验，其中施加实验变量(要研究的因素)处理的为实验组，常态或未施加实验变量(要研究的因素)处理的为对照组。
自变量为实验变量的有无。
一般验证性实验采用空白对照。
2．相互对照设置三组以上的实验，每一组既作为实验组，同时又是其他组的对照。
自变量为实验变量的不同量度(或类别)。
一般“探究××最适(佳)条件”的实验采用相互对照。
3．自身对照实验组、对照组在同一实验对象上进行，即实验处理前的为对照组，处理后的为实验组，自变量为实验变量的处理与否，如“探究植物细胞的吸水和失水”实验。
4．条件对照增设了与实验变量无关的一组实验。
常结合空白对照进行，具有反证或加强作用。
如“验证甲状腺激素促进幼小动物发育”的实验中：以蝌蚪为实验材料，甲组(实验组)饲喂甲状腺激素；乙组(条件对照组)饲喂甲状腺抑制剂；丙组(空白对照组)对蝌蚪不做任何处理。
分子与细胞第五章细胞的能量供应和利用第一节降低化学反应活化能的酶细胞代谢（1）概念：细胞中每时每刻都进行的化学反应统称为细胞代谢。
（2）特点：①一般都需要酶催化，②在水环境中进行，③反应条件温和，④一般伴随着能量的释放和储存。
（3）地位：是细胞生命活动的基础。
对细胞代谢的理解（1）从性质上看，细胞代谢包括物质代谢和能量代谢两个方面。
细胞内每时每刻都在进行着化学反应，与此同时伴随着相应的能量变化。
物质是能量的载体，而能量是物质运输的动力。
物质代谢和能量代谢相伴而生，相互依存。
（2）从方向上看，细胞代谢包括同时进行、对立统一的同化作用和异化作用。
同化作用和异化作用相互依存，同化过程中有物质的分解、能量的释放，异化过程中有物质的合成、能量的储存。
同化作用为异化作用的进行提供物质和能量基础，而同化作用进行所需的能量又靠异化作用来提供。
（3）从实质上看，细胞代谢是生物体活细胞内所进行的有序的连锁的化学反应。
应特别注意只有活细胞内进行的化学反应才是有序的，死细胞内虽然也进行着化学反应，但是无序的，所以不属于细胞代谢的范畴。
（4）从意义上看，细胞代谢的过程完成了细胞成分的更新，而细胞成分的更新正是生化反应造成的物质转化和能量转变的结果。
在细胞代谢的基础上，生物体既进行新旧细胞的更替，又进行细胞内化学成分的更新，最终表现出生长、发育、生殖等生命活动。
酶的作用原理（1）活化能：分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量（2）酶是一种生物催化剂，能改变反应途径，其作用是降低化学反应的活化能。
（3）酶在代谢中仅起到催化作用，本身化学性质和质量均不发生变化。
酶在进行催化作用时，首先与底物（即反应物）结合，形成不稳定的中间产物，中间产物再分解成酶和产物，因此可反复起催化作用。
酶的本质酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质。
（1）凡是活细胞都可产生酶（哺乳动物的成熟红细胞等除外），只有内分泌细胞才可产生激素，所以能产生酶的细胞不一定能产生激素，但能产生激素的细胞一定能产生酶。
化工热力学第五章化工过程的能量分析化工过程的能量分析是对能量转化和能量平衡进行分析和计算的过程。
它旨在确定化工过程中的能量输入和输出，以及能量转化的效率。
能量分析的基本原理是能量守恒定律，即能量既不能被创造也不能被消灭，只能发生转化和传递。
在化工过程中，能量转化主要包括热能和工作能的转化。
对于化工过程的能量分析，首先需要确定系统的边界。
系统是指需要进行能量分析的化工过程的范围。
系统可以是一个反应器、一个加热器、一个蒸馏塔等。
接下来，需要确定系统的输入和输出。
输入和输出包括能量流和物质流。
能量流一般包括热能和工作能的流入和流出，物质流一般包括物质的流入和流出，以及化学反应中物质的转化。
在能量分析中，热能是一个重要的能量形式。
对于热能的分析，常常需要考虑热能的传递方式，如传导、对流和辐射。
传导是通过直接接触传递热能，对流是通过流体介质传递热能，辐射是通过辐射传递热能。
根据能量守恒定律，系统的输入和输出之间的热能的变化可以表达为：Σ(Qin) - Σ(Qout) = Σ(Win) + Σ(Wout) ± ΔE其中，Qin和Qout分别表示进入和离开系统的热能，Win和Wout分别表示进入和离开系统的工作能，ΔE表示系统内部的能量变化。
除了热能外，化工过程中还常常涉及到压力能和位能的转化。
压力能是由于流体在系统中的压力而具有的能量，位能是由于物体在重力场中的高度而具有的能量。
在能量分析中，压力能和位能的转化也需要考虑。
能量分析的另一个重要方面是能量的有效利用。
对于化工过程来说，能量转化的效率直接影响着能源的消耗和产品的质量。
提高能量的利用效率是化工工程师的重要目标之一、为了提高能量的利用效率，可以采取一系列的措施，例如优化化工过程的操作参数，改进传热设备的设计和选型，提高能源的回收利用等。
同时，还可以利用先进的能源技术，如余热利用技术、低温热能利用技术等。
总之，化工过程的能量分析是研究化工过程能量转化和能量平衡的重要方法。
能量原理的运用与应用论文引言能量原理是物理学中的基本概念之一，它被广泛应用于各个领域，包括机械、电力、光学、热力学等。
本文将探讨能量原理的基本原理和应用，以及它在现实生活中的一些实际应用案例。
能量原理的基本原理能量原理是指能量在系统中的转化和守恒关系。
在一个封闭系统中，能量既不会消失，也不会突然产生，只会在不同形式之间转化。
能量可以以不同的形式存在，例如机械能、热能、光能等。
能量原理可以通过以下几个基本概念来描述： - 能量转化：当一个物体从一种状态转换到另一种状态时，能量将会被转化。
例如，当一个物体在空中自由下落时，它的势能将转化为动能。
- 能量守恒：一个封闭系统中的能量总量保持不变。
虽然能量在不同形式之间进行转化，但总能量保持恒定。
- 能量损失：在能量转化过程中，会有一定的能量损失。
这些损失可以来自于摩擦、热量散失等因素。
能量原理的应用能量原理在各个领域都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用案例：1. 机械领域•机械能转化：在机械系统中，能量原理被用于描述物体的运动和能量转化。
例如，当一个弹簧被压缩时，其中的势能被转化为动能，使得弹簧能够推动物体。
•机械效率：能量原理也用于评估机械系统的效率。
通过比较输入能量和输出能量的比例，可以计算出机械系统的效率。
2. 电力领域•发电原理：电力系统中能量原理被广泛应用于发电过程。
例如，水力发电是利用水的势能转化为旋转动能，然后再通过发电机将旋转动能转化为电能的过程。
•能量传输：能量原理也用于描述电能在输电过程中的传输和损耗。
通过能量原理，可以优化电网的输电效率，减少能量损失。
3. 光学领域•光能转化：能量原理被应用于光能的转化和传输。
例如，太阳能电池板将太阳光转化为电能，光纤将光信号传输到远距离。
•光学效率：能量原理也被用于评估光学系统的效率。
通过比较输入光能和输出光能的比例，可以计算出光学系统的效率。
4. 热力学领域•热能转化：能量原理被应用于描述热能的转化和传输。
能量产生的原理及作用能量是指物体具有的做功能力或产生热量的能力。
它是物理世界中最基本的概念之一，贯穿于各个领域的研究中。
能量的产生有多种原理，包括化学反应、光能转化、核能转化等。
不同原理的能量产生方式和作用也各有特点。
化学反应是一种常见的能量产生原理。
在化学反应中，原子或分子之间的键能发生改变，从而释放出能量。
例如，当燃料与氧气反应时，就会产生燃烧，释放出热能。
这种能量产生方式被广泛应用于日常生活和工业生产中，如火力发电、燃油汽车等。
化学反应还可以产生化学能，这种能量可以转化为其他形式的能量，如电能、动能等。
光能转化是另一种重要的能量产生原理。
光能是指来自太阳等光源的能量，可以被转化为其他形式的能量。
光能转化的过程中，光能被吸收后，产生光电效应或光化学反应，从而释放出电能或化学能。
太阳能电池就是利用光能转化为电能的典型例子。
太阳能电池板上的硅元素会吸收光能，并将其转化为电能，供给电器使用。
光能转化还可以应用于光化学反应，如光合作用中植物将光能转化为化学能，从而实现自身的生长和代谢。
核能转化是能量产生的另一种重要原理。
核能是指原子核中的能量，可以通过核反应释放出来。
核反应包括核裂变和核聚变两种方式。
核裂变是指重核分裂成两个或多个轻核的过程，释放出大量能量。
核聚变则是轻核相互融合成较重核的过程，同样会释放出巨大的能量。
核能的转化可以应用于核电站和核武器等领域。
核电站利用核裂变反应产生的热能，转化为电能供给人们生活和工业用电。
而核武器则利用核裂变或核聚变反应释放出的巨大能量，具有破坏性和杀伤力。
能量产生的作用广泛而重要。
一方面，能量的产生使得我们的生活更加便利和舒适。
电能的产生使得人们可以使用各种电器设备，如灯光、电视、电脑等，满足各种生活和工作需求。
热能的产生使得人们可以烹饪食物、取暖、制冷等。
另一方面，能量的产生也推动了工业和经济的发展。
能源作为工业生产的重要支撑，为各行各业提供了动力和热源，促进了社会的进步和经济的繁荣。
第五章弹性体的能量原理§5-1 差分公式的推导目录§5-2 应力函数的差分解§53应力分量差分解的实例§5-3 应力分量差分解的实例§5-4弹性体的形变能和外力势能§5-5位移变形方程§56§5-6位移变分法§5-7位移变分法的例题变分法简介简介¾函数的变分y y x =()dy d y δδ⎛⎞=⎜⎟()dx dx⎝⎠¾泛函的变分()I I y x =⎡⎤⎣⎦()',,ba I f x y y dx =∫()b ba a I f dx f dx δδδ==∫∫¾泛函的极值问题I y x =⎣=()I ⎡⎤⎦()0y y x 0I δ=5-4 弹性体的形变势能和外力势能弹性势外势¾变分法：研究泛函及其极值的求解方法。
：研究泛函及其极值的求解方法¾泛函：是以函数为自变量的一类函数，即函数的函数弹性力学中的变分法又称为能量法形变势能密度：单位体积中的形变势能1σε单拉伸缩单向拉伸或压缩2x x1剪切载荷作用τγ2xy xy5-4 弹性体的形变势能和外力势能弹性势外势根据能量守恒原理形变势能与弹性体受力的次序无¾根据能量守恒原理，形变势能与弹性体受力的次序无关，而完全确定于应力及形变的最终大小。
因此，考虑弹性体的6个应力分量和6个形变分量可以得到弹虑弹性体的6个应力分量和6个形变分量，可以得到弹性体全部形变势能密度1()12x x y y z z xy xy yz yz zx zx U σεσεσετγτγτγ=+++++0==0,0yz zx ττ在平面问题中平面应力z σ=平面应变0z ε=1()12x x y y xy xy U σεσετγ=++5-4 弹性体的形变势能和外力势能弹性势外势在平面问题中各应力分量和形变分量都是坐标x和y ¾在平面问题中，各应力分量和形变分量都是坐标x和y 的函数，因此形变势能密度一般也是坐标的函数。
整个弹性体（平面区域A 内）的形变势能U 可以表示为1U U dxdy dxdy σεσετ==++−()12x x y y xy xy A Ay y γ∫∫∫∫也可以采用形变分量来表示()2221212221x y x y xy E U μεεμεεγμ⎡⎤=+++⎢⎥−⎣⎦∂111,,x y xy x y xy U U U σστεεγ∂∂===∂∂∂弹性体每单位体积中的形变势能对于任形变分量的改变弹性体每单位体积中的形变势能对于任一形变分量的改变率，就等于相应的应力分量。
5-4 弹性体的形变势能和外力势能弹性势外势另外形变势能还可以用位移分量来表示¾另外，形变势能还可以用位移分量来表示2221E u v u v v u μ⎡⎤⎛⎞⎛⎞∂∂∂∂−∂∂⎛⎞=⎜()122221U x y x y x y μμ++++⎢⎥⎟⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂∂−⎝⎠⎢⎥⎝⎠⎝⎠⎣⎦由此可见，形变势能是形变分量或位移分量的二次泛函。
因此叠加原理不再适用。
()()()1212U u u U u U u +≠+外力功W d d d ()()A x y x y s f u f v dxdy f u f v ds =+++∫∫∫外力势能d d d ()()A x y x y s V f u f v dxdy f u f v ds =−+−+∫∫∫5-5 位移变分方程位移虚位移：假设位移分量发生在位移边界条件所容许的微¾小改变'',u u u v v vδδ=+=+由位移变分引起的外力功的变分和外力势能的变分分别为()()x y x y A s W f u f v dxdy f u f v ds δδδδδ=+++∫∫∫位移的变分引起应变的变分()()()(),,x xy u v v u δεδδεδδγδδ∂∂∂∂===+∂∂y y x y x y∂∂5-5 位移变分方程位移¾引起的形变势能的变分为U dxdy δσδεσδετδγ=++注意系数变化()x x y y xy xy A y γ∫∫假定弹性体在虚位移过程中没有温度和速度的改变，即热能和动能恒定。
按照能量守恒定理，形变势能的增加应当等于外力势能的减少，即外力所做的功，于是可以得到()()x y x y A s U W f u f v dxdy f u f v ds δδδδδδ==+++∫∫∫位移变分方程：在实际平衡状态发生位移的变分时，所引起的形变势能的变分等于外力功的变分。
引起的形变势能的变分，等于外力功的变分。
5-5 位移变分方程位移由此还可以导出弹性力学中的极小势能原理()0U V δ+=在给定的外力作用下，实际存在的位移应使总势能的变分为零。
极小势能原理：在给定的外力作用下，在满足位移边界条件的所有各组位移状态中，实际存在一组位移应使总势能称为极值。
如果考虑阶变分总是大于或等于零就可如果考虑二阶变分总是大于或等于零，就可以证明：对于稳定平衡状态，这个极值就是极小值。
()20U V δ+≥5-5 位移变分方程位移¾弹性力学的虚功方程(xxxy xy dxdy σδεσδετδγ++−)()()yyyyAxyxyAsf u f v dxdy f u fv ds δδδδ+++=∫∫∫∫∫如果在虚位移发生之前，弹性体处于平衡状态，那么，在虚位移过程中，外力在虚位移上所做的虚功就等于应力在，虚应变上做的虚功。
位移变分方程，极小势能原理和虚功原理在本质上都是一位移变分方程，极小势能原理和虚功原理在本质上都是样的，它们都是从实际平衡状态发生虚位移时，能量守恒定理的具体应用，只是表达方式有所不同而已。
5-6 位移变分法位移¾弹性力学的变分解法若设定一组包含若干待定系数的位移分量的表达式，并使他们预先满足位移边界条件然后再令其满足位并使他们预先满足位移边界条件，然后再令其满足位移变分方程，并求出待定系数，就同样能得出实际位移的解答。
试取位移分量的表达式为00,m m m mmmu u A u v v B v =+=+∑∑位移分量的变分为,u u A v v B δδδδ==m m m mmm∑∑5-6 位移变分法位移¾形变势能的变分为U UU A B δδδ⎛⎞∂∂=+m m m m m A B ⎜⎟∂∂⎝⎠∑代入位移变分方程得到⎛m m m m m U UA B A B δδ⎞∂∂+=⎜⎟∂∂⎝⎠∑()()x mmy m m m m m x y Asmmf u Af v B dxdy f u A f v B dsδδδδ+++∑∑∫∫∫⎛x m m m x A sm m U f u dxdy f u ds A A δ⎞∂−−+⎜⎟∂⎝⎠∑∫∫∫0y m m m y A s U f v dxdy f v ds B B δ⎛⎞∂−−=⎜⎟∂⎝⎠∑∫∫∫5-6 位移变分法位移由于的任意性可以得到求解¾A m 和B m 的任意性，可以得到求解A m 和B m 的位移变分方程，即x m m x A s mUf u dxdy f u dsA ∂=+∂∫∫∫y m m y A s m Uf v dxdy f v dsB ∂=+∂∫∫∫瑞利-里茨法(Rayleigh-Ritz Method)用位移变分法求得位移以后，不难通过几何方程求得形变，进而通过物理方程求得应力。
通常取不多的系数A m 、B m ，就可以求得较精确的位移，而通过求导数后得出的应力却很精确为了求得的应力充分精确必须得更多的系很不精确。
为了求得的应力充分精确，必须取得更多的系数。
5-7 位移变分法的例题位移题例题设有如图所示宽度为¾1. 设有如图所示，宽度为a 而高度为b 的矩形薄板，在左边及下边受连杆支撑，在右边及上边分别受12不计体力试求薄板位移有均布压力q1和q2，不计体力，试求薄板位移。
取位移分量的形式为()123u x A A x A y =+++L ()123v y B B x B y =+++L 验证边界条件()()000,0x y u v ====验边界条件不论各系数如何取值，都可以满足两个边界位移条件5-7 位移变分法的例题位移题试只去A1和B1两个待定系数即¾试只去A1和B1两个待定系数，即111111,u A u A x v B v B y====于是有11,0,0,u u v vA B ∂∂∂∂====∂∂a b E x yx y∂∂弹性体的形变势能为()()221111200221U A B A B dxdy μμ=++−∫∫1111,x y U Uf u ds f v ds A B ∂∂==∂∂∫∫s s5-7 位移变分法的例题位移题针对以上二式只需考虑边界上面力和位移都不等于¾针对以上二式，只需考虑边界上面力和位移都不等于零的部分边界。
¾对于薄板右边有11,,x f q u x a ds dy=−===¾对于薄板上边界有,,v y b ds dx=−===bd d b21y f q 从而有()1110x saf u ds q ady q ab =−=−−=−∫∫()1220y sf v ds q bdx q ab=∫∫5-7 位移变分法的例题位移题12,UUq ab q ab A B ∂∂=−=−∂∂11()111222EabA B q ab μ+=−−()2122EabB A ab μ+=−()()112221q μμ−q q −−122111,q q A B E Eμμ=−=−12,q q u x E μ−=−从而得到位移分量的表达式21q q v yE μ−=−5-7 位移变分法的例题位移题例题2设有宽度为2a而高度为b的矩形薄板如图所¾例题2. 设有宽度为2a而高度为b的矩形薄板，如图所示，它的左边、右边和下边均被固定，而上边界具有2给定的位移20,1x u v a η⎛⎞==−−⎜⎟⎝⎠不计体力试求薄板的位移不计体力，试求薄板的位移。
取如图所示坐标位移分量只取项数2x x ⎛⎞取如图所示坐标，位移分量只取项数m=1，位移分量的表达式设定为122211,y y u A a a b b ⎛⎞=−−⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎛122111x y x y y v B a b a b b η⎞⎛⎞⎛⎞=−−+−−⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠5-7 位移变分法的例题位移题以上位移分量可以满足全部的边界条件¾()()()00,0,0,x a y y b u u u =±=====()()()2200,0,1x a y y b x v v v a η=±==⎛⎞===−−⎜⎟⎝⎠同时，所有位移的对称性也是满足的不计体力，而且没有应力边界条件，所以有0,0U UA B ∂∂==∂∂112221a b Eu v u v v u μ⎡⎤⎛⎞⎛⎞∂∂∂∂−∂∂⎛⎞=()20022221U dxdy x y x y x y μμ++++⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂∂−⎝⎠⎢⎥⎝⎠⎝⎠⎣⎦∫∫第五章最小余能原理第章余¾弹性体的总余能定义为应变余能和支撑系统的余能和E U V =+c c c**ijσ1c U Ud Ω=Ω∫∫∫1ij ijU d εσ=∫对于线弹性材料，应变余能密度*11ijij ij U d U σεσ==∫uc i i S V f u dS=−∫∫当弹性系统的支撑边界允许有位移时，被支撑系数所吸收或通过支撑系统传递给其他物体的那部分多余能量称为支第五章最小余能原理第章余¾虚位移原理和最小势能原理d d f u d f u dSσεδδΩ=Ω+ij ij i i i i S σΩΩ∫∫∫∫∫∫∫∫()20,0p p E U V E δδδ=+=>¾虚应力原理和最小余能原理在已知外力作用下处于平衡状态的弹性体，在已知位移的边界上虚面力在真实位移上所做的虚功等于虚应力在dSδδ边界上，虚面力在真实位移上所做的虚功，等于虚应力在真实应变上产生的虚应变余能ij ij i ij j S d u n σεδσδσΩΩ=∫∫∫∫∫()0,c c c E U V δδ=+=0,c U δ=2c E δ>2c U δ>若面力全部已知第五章最小余能原理第章余¾基于最小余能原理的直接解法假设一组静力可能的应力试函数m ij ijm ijA σσσ=+∑mc ij ij i ij j Ed u n dSεδσδσ=Ω−S σΩ∫∫∫∫∫12)cE ∂0(1,2,......)mm A ==∂第五章变分法在弹性力学中的应用第章在弹性学中位移变分法应用与杆梁问题¾位移变分法应用与杆、梁问题(1) 梁的位试函数表达式()()0m m mw w x C w x =+∑满足位移边界条件(2)2221ld w U EI dx ⎛⎞=⎜⎟(2)梁的应变能表达式02dx ⎝⎠∫(3) 梁的总势能表达式221()2002ll p d w E EI dx q x wdx dx ⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠∫∫(4)E ∂(4) 应用瑞利-里茨法()01,2,......p mm C ==∂第五章例题第章题1例题1第五章例题第章题例题22第五章例题第章题例题3例题4。
