Big Bang HTL 4, Schulbuch

Nanotechnologie 20 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) 187 Bearbeite die Aufgaben! Nanotechnologie Überlege dir, ob Wärmeproduktion, Wärmeverlust, Masse, Atmung, Verdauung, Knochenfestigkeit und Muskelkraft von der Fläche oder vom Volumen abhän- gen. Überlege dir dann, welche Konsequenzen die „Vergrößerung“ oder „Verkleinerung“ eines Menschen hätte. Ein Beispiel wurde in diesem Kapitel bereits angesprochen. L Manche Forscher träumen vom Weltraumlift mit Hilfe von Nanoröhrchen. Recherchiere, wie er aussehen soll und wieso er gebaut werden soll. Recherchiere weiters, was man im Zusammenhang mit Nanotechnologie unter bottomup und top-down versteht, welche Beispiele es für „Nanofood“ gibt, was man unter Nanobiotechnologie versteht, welche Gefahren die Nanotechnologie birgt und welche Kritik es an ihr gibt. a In Abb. 20.16 siehst du links einen Würfel mit der Seitenlänge 1m. Seine Oberfläche beträgt daher 6m 2 und sein Volumen 1m 3 . Diese Werte sind in Tabelle 20.2 eingetragen, wobei die Oberfläche auch relativ angege- ben ist (wir definieren diese für unseren Ausgangswür- fel mit 1), um sie mit den anderen Oberflächen besser vergleichen zu können. Überlege dir, was passiert, wenn die Seitenlänge verdoppelt, verdreifacht, … bzw. halbiert, gedrittelt, … wird? Begründe, wie sich dadurch Oberflächen und Volumina verändern. Trage sie in Tab. 20.2 ein. L Abb. 20.16: Wie verändern sich Volumen und Oberfläche eines Würfels, wenn sich die Seitenlänge verändert? Seitenlänge [m] Oberfläche [m 2 ] rel. Oberfläche Volumen [m 3 ] 1/4 1/3 1/2 1 6 1 1 2 3 4 Tab. 20.2: zu F6 a–d b Beschreibe in Worten, wie sich Volumen und Ober- fläche bei einer Vergrößerung und Verkleinerung verhalten. Überlege, ob dieser Zusammenhang nur für einen Würfel gilt oder generell! L c Erstelle ein Diagramm, in dem du auf der x-Achse den Skalenfaktor von 0,1 bis 10 einträgst, um den du ein Objekt schrumpfst oder vergrößerst. Trage auf der y-Achse die relative Veränderung von Länge, Oberfläche und Volumen ein. Wähle eine doppelt logarithmische Darstellung, weil dann die Zusammenhänge am besten zu sehen sind. Diese Grafik soll die Zusammenhänge in Tab. 20.2 optisch unterstreichen. L d Überlege, wovon die Wärmeproduktion eines Lebe- wesens abhängt: von Größe, Oberfläche oder Volumen. Überlege, wovon der Wärmeverlust eines Lebewesens abhängt: von Größe, Oberfläche oder Volumen. Begrün- de, was mit der relativen Heizleistung (also der Heizleistung im Verhältnis zur Oberfläche) passiert, wenn ein Lebewesen vergrößert oder verkleinert wird. L e Begründe, was die Zusammenhänge in F6 a bis d mit Nanotechnologie zu tun haben. Was würde mit dem Verhältnis Oberfläche/Volumen passieren, wenn du ein Objekt mit der Größe von 1m um den Faktor 10 8 verkleinerst und somit in die Größenordnung der Nanotechnologie bringst? Überlege, welchen Effekt das hätte! L Die kleinsten nutzbaren Ströme in der Technik liegen in der Größenordnung von 10 –13 A. Sie treten beim Rastertunnelmikroskop auf (Abb. 20.12). Eine winzige Metallspitze, nur ein paar Atome dick, wird etwa einen Milliardstel Meter (1 nm) an das Untersuchungsobjekt herangefahren. Dann wird Spannung angelegt. Durch den sogenannten Tunneleffekt, den man nur quanten- mechanisch erklären kann (siehe Abb. 20.11), können Elektronen den Zwischenraum überwinden und erzeugen die oben genannten winzigen Ströme. Berechne, wie viele Elektronen dabei pro Sekunde fließen. Ein Elektron hat eine Ladung von 1,6 · 10 19 C. L 20 F4 A2 F5 A2 F6 A2 A2 A2 A2 A2 F7 A1 Nur zu Prüfzwecken – Eig ntum des Verlags öbv