Source: https://www.e-medida.es/numero-1/el-sistema-internacional-de-unidades-si-y-su-proxima-revision/
Timestamp: 2019-01-15 23:51:12+00:00

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El Sistema Internacional de Unidades (SI) y su próxima revisión - Revista e-medida
EnseñanzaNúmero 1
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This article shows in short the origin, evolution and characteristics of the International System of Units (SI), the coherent universal system, compulsory by law in Spain, used both in science and in the everyday life. It also shows the current definitions of the basic units and the new ones submitted by the International Committee of Weights and Measures (CIPM) to the General Conference of Weights and Measures (CGPM), planned for a near future and based on the best determinations of invariants of nature: fundamental physical constants or atomic properties. The reasons for such changes are justified, seeking for greater accuracy and less uncertainty in their practical realizations. As a paradigmatic example, the new definition of the kilogram, based on the determination of the Planck constant, will permit to substitute the only existing materialized standard, the international prototype of the kilogram, which dates from 1889 and lacks of long term stability, and to obtain the mass unit at any time and place. This will close the cycle started several years ago, consisting in replacing old materialized standards, whose main characteristic was its constancy over time, by standards based on physical experiments, whose main characteristic is reproducibility at any time and place, something critical to the accuracy requirements of today’s global world.
Establecida en 1983 por la 17ª CGPM (1983, Resolución 1),basada en el exacto conocimiento de la velocidad de la luz en el vacío (c).
El kilogramo es la unidad de masa; es igual a la masa del prototipointernacional del kilogramo
Tras la declaración del prototipo internacional por la 1ª CGPMen 1889, la 3ª CGPM (1901) estableció la anterior definición,con objeto de eliminar la ambigüedad que se presentaba enel uso corriente del término “peso”(4).
El segundo es la duración de 9 192 631 770 periodos dela radiación correspondiente a la transición entre los dos niveleshiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio133.
Considerando indispensable para la ciencia y la tecnologíacontar con una definición de la unidad de tiempo lo másprecisa posible, la 13ª CGPM (1967/68, Resolución 1) reemplazóla definición previa del segundo por la actual, basadaen la frecuencia de la transición hiperfina del estado fundamentaldel átomo de cesio ν(hfsCs) en reposo, a una temperaturade 0 K.
El amperio es la intensidad de una corriente constanteque, manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos,de longitud infinita, de sección circular despreciabley situados a una distancia de 1 metro uno del otro, enel vacío, produciría entre estos conductores una fuerzaigual a 2 × 107 newton por metro de longitud .(7)
La 9ª CGPM (1948) adoptó el amperio como unidad decorriente eléctrica, aceptando la definición propuesta porel Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) (1946,Resolución 2).
El kelvin, unidad de temperatura termodinámica, es la fracción1/273,16 de la temperatura termodinámica del puntotriple del agua .(8)
Definición acordada por la 10ª CGPM (1954, Resolución 3),seleccionándose el punto triple del agua como punto fijofundamental y asignándole la temperatura de 273,16 K. Posteriormente,la 13ª CGPM (1967/68, Resolución 3) adoptó elnombre “kelvin”, símbolo K, en lugar de “grado Kelvin”, símboloºK, y definió la unidad de temperatura termodinámica(1967/68, Resolución 4) tal como aquí aparece.
Por su parte, la unidad de temperatura Celsius es el gradoCelsius (9), símbolo ºC, cuya magnitud es igual por definicióna la del kelvin. El valor numérico de la temperatura Celsiusexpresado en grados Celsius se encuentra ligado al valor numéricode la temperatura termodinámica expresada en kelvinpor la relación
El kelvin y el grado Celsius son las unidades de la Escala Internacionalde Temperatura de 1990 (EIT-90) adoptada por elCIPM en 1989 en su Recomendación 5 (CI-1989).
El mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contienetantas entidades elementales como átomos hay en 0,012kilogramos de carbono 12 (11); su símbolo es “mol”.
Cuando se emplee el mol, deben especificarse las entidadeselementales, que pueden ser átomos, moléculas, iones,electrones u otras partículas o grupos especificados de talespartículas.
Siguiendo las propuestas de las uniones internacionales defísica (IUPAP) y química (IUPAC) pura y aplicada, y de laorganización internacional de normalización (ISO), el CIPMaprobó en 1967, y confirmó en 1969, la anterior definicióndel mol, adoptándose finalmente por la 14ª CGPM (1971,Resolución 3).
La candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada,de una fuente que emite una radiación monocromática defrecuencia 540 × 1012 hercios y cuya intensidad energéticaen dicha dirección es de 1/683 vatios por estereorradián.
Definición adoptada en 1979 por la 16ª CGPM (Resolución3), debido a las dificultades experimentales para realizar unemisor de radiación de Planck a altas temperaturas y a lasnuevas posibilidades ofrecidas por la radiometría; es decir, lamedida de la potencia de la radiación óptica.
El nuevo SI – Justificación
por el consenso internacional existente sobre la importancia,valor y beneficios potenciales de la redefinición dealgunas unidades SI,
por el gran esfuerzo realizado durante las últimas décadaspor los institutos nacionales de metrología (INM), elBIPM, el CIPM y sus Comités Consultivos (CC) para ampliarlas fronteras de la metrología y tratar de definir las unidadesbásicas SI a partir de invariantes de la naturaleza, ya seanconstantes físicas fundamentales o propiedades atómicas,
por el claro ejemplo de éxito de anteriores esfuerzos,entre ellos la actual definición de la unidad de longitud, elmetro, al ligar éste al valor de la velocidad de la luz en elvacío c (299 792 458 m/s),
porque de las siete unidades básicas del SI, únicamenteel kilogramo está definido aún como patrón material -el prototipo internacional del kilogramo – lo que limita suexactitud, así como la del amperio, el mol y la candela, quea su vez dependen de él,
porque aunque el prototipo internacional del kilogramoha servido bien a la ciencia y a la tecnología desde que fuesancionado como tal por la CGPM en su primera reuniónen 1889, hoy día posee un número importante de limitaciones,siendo una de las más significativas la de que no esposible garantizar la estabilidad de su masa a largo plazo,
tras la Resolución 7, adoptada por la 21ª CGPM en1999, que recomendaba a los laboratorios nacionales demetrología “continuar con sus esfuerzos para mejorar losexperimentos que ligan la unidad de masa a constantes fundamentaleso atómicas, con vistas a una futura redefinicióndel kilogramo”,
tras los muchos avances conseguidos en los últimosaños para relacionar la masa del prototipo internacionalcon la constante de Planck h , por métodos como el de labalanza de potencia o la medición de la masa de un átomode Silicio.
En el “nuevo SI”, cuatro de las unidades básicas (kilogramo, amperio, kelvin y mol) serán redefinidas a partir de los valores numéricos establecidos para invariantes de la naturaleza: la constante de Planck (h), la carga elemental (e), la constante de Boltzmann (k) y la constante de Avogadro (NA), respectivamente. Las definiciones se formularán explicitando las constantes de las cuales derivan, y se incluirán las realizaciones prácticas de las mismas.
El kilogramo continuará siendo la unidad de masa,pero su valor se obtendrá fijando el valor numéricode la constante de Planck h como exactamente igual a6,626 06X x 10-34 m2·kg·s-1, es decir, J·s.
El amperio continuará siendo la unidad de corrienteeléctrica, pero su valor se obtendrá fijando el valor numéricode la carga elemental e como exactamente igual a1,602 17X x10-19 s·A, es decir, C.
El kelvin continuará siendo la unidad de temperaturatermodinámica, pero su valor se obtendrá fijando el valornumérico de la constante de Boltzmann k como exactamenteigual a 1,380 6X x 10-23 m2·kg·s-2·K-1, es decir,J·K-1.
El mol continuará siendo la unidad de cantidad desustancia de una entidad elemental especificada (átomo,molécula, ion, electrón o cualquier otra partícula o grupoespecificado de partículas), pero su valor se obtendráfijando el valor numérico de la constante de AvogadroNA como exactamente igual a 6,022 14X x 1023 mol-1.
El segundo es la unidad de tiempo y su valor se obtienefijando el valor numérico de la frecuencia del estado fundamentalde la estructura hiperfina del átomo de Cs 133,en reposo y a la temperatura de 0 K, Δν(133Cs)hfs, comoexactamente igual a 9 192 631 770 s-1, es decir, Hz.
El metro es la unidad de longitud y su valor se obtienefijando el valor numérico de la velocidad de la luz en elvacío c como exactamente igual a 299 792 458 m·s-1.
La candela es la unidad de intensidad luminosa y suvalor se obtiene fijando el valor numérico de la eficacialuminosa de una radiación monocromática de frecuencia540 x 1012 Hz, Kcd, como exactamente igual a 683 m–2kg–1 s3 cd sr, es decir, cd sr W–1, o bien lm W–1.
Redefiniendo el kilogramo y el amperio en función devalores numéricos exactos de la constante de Planck hy de la carga elemental e, respectivamente, se verán reducidassignificativamente las incertidumbres de todas lasunidades SI eléctricas realizadas directa o indirectamentepor medio de los efectos Josephson y Hall cuántico y losvalores SI de las constantes respectivas, Josephson (KJ) yvon Klitzing (RK).
Redefiniendo el kelvin en función del valor numéricoexacto de la constante de Boltzmann k, ya no dependeráde la pureza y composición isotópica del agua, comoocurre en la práctica actual.
Redefiniendo el mol en función de un valor numéricoexacto de la constante de Avogadro NA, ya no dependeráde la definición del kilogramo, aunque esta también cambie,enfatizándose así la distinción entre las magnitudes”cantidad de sustancia” y “masa”.
Como consecuencia de estos cambios, la definición del kilogramo a partir de una constante física garantizará su estabilidad a largo plazo y su fiabilidad, lo que en la actualidad es objeto de duda. La nueva definición del amperio mejorará significativamente la exactitud con que se realizan las mediciones eléctricas. El impacto sobre las mediciones eléctricas será inmediato ya que las más precisas se realizan empleando los efectos Josephson y Hall cuántico. El hecho de fijar, en el nuevo SI, los valores numéricos de h y e, conducirá al conocimiento exacto de los valores de las constantes de Josephson y de von Klitzing. Ello eliminará la necesidad actual de emplear unidades eléctricas convencionales, en lugar de unidades SI, para expresar los resultados de las mediciones eléctricas. Utilizando las nuevas definiciones del kelvin y el kilogramo, el factor de conversión entre la radiancia y la temperatura termodinámica (constante de Stefan-Boltzmann) será ahora exacto, lo que conducirá a mejores mediciones de temperatura, a medida que evolucione la tecnología. También, la definición revisada del mol será más sencilla que la definición actual y ayudará a los usuarios del SI menos familiarizados con la química, a comprender mejor la naturaleza de la magnitud “cantidad de sustancia” y su unidad, el mol.
En España, a pesar de la obligación legal, es habitual encontrar, en facturas telefónicas, o en tiempos de marcas deportivas, en periódicos y revistas, m comosímbolo de minuto, cuando el símbolo correcto es min (m es el símbolo del metro). Lo mismo ocurre con el segundo de tiempo, empleándose el símbolo delsegundo angular (“), en lugar del suyo propio (s)
La definición del metro basada en el prototipo internacional de platino e iridio, en vigor desde 1889, fue reemplazada en la 11ª CGPM, en 1960, por unadefinición basada en la longitud de onda de una radiación del kriptón 86, con objeto de mejorar la exactitud de la realización práctica.
El prototipo internacional del kilogramo fue declarado como tal por la 1ª CGPM en 1889. Es un cilindro de 39 mm de altura y 39 mm de diámetro, realizadoen una aleación de platino (90 %) e iridio (10 %), con una densidad de 21 500 kg/m3, sobre cuyas superficies se acumulan, a pesar de estar guardado bajotres campanas de cristal, contaminantes, a razón de 1 μg por año. Por esta razón, el CIPM declaró como masa de referencia del prototipo, la existente inmediatamentedespués de su limpieza y lavado con un método específicamente definido. La masa de referencia así definida se utiliza para calibrar los patronesnacionales de platino-iridio de los distintos países
Aunque en el lenguaje habitual se suele hablar de un peso de X kilogramos, en realidad dicho valor X corresponde a la masa, propiedad inherente de loscuerpos. Dicha masa, sometida a la acción de la gravedad terrestre, se ve atraída (“pesa”) con una fuerza de valor aprox. 9,81•X newtons. Habitualmente, lasbásculas que utilizamos para pesarnos ya descuentan el valor de la gravedad local, reflejando en su escala el valor en kg de nuestra masa X. El mismo cuerpoanterior, en la superficie lunar, se vería atraído (“pesaría”) con una fuerza 6 veces menor, aproximadamente. Por tanto, su peso en la luna también sería aprox. 6veces menor que en la tierra, para la misma masa X.
El segundo, unidad de tiempo, se definió originariamente como la fracción 1/86 400 del día solar medio definido por los astrónomos. Posteriormente,distintas observaciones mostraron que tal definición no era totalmente satisfactoria debido a las irregularidades de la rotación de la tierra y, para mejorar suprecisión, la 11ª CGPM (1960; Resolución 9) introdujo una nueva definición aportada por la Unión Astronómica Internacional, basada en el año trópico 1900.Pero diversas investigaciones ya mostraban entonces que un patrón atómico basado en la transición entre dos niveles energéticos de un átomo o una molécula,podía realizarse y reproducirse con una exactitud mucho mayor
Las unidades eléctricas de intensidad y resistencia fueron introducidas en el Congreso Eléctrico Internacional celebrado en Chicago en 1893, y las definicionesdel amperio y el ohmio, en la Conferencia Internacional de Londres, en 1908. Aunque ya resultó obvio con ocasión de la 8ª CGPM (1933) el deseounánime de reemplazar las anteriores “unidades internacionales” por las denominadas “absolutas”, la decisión oficial de sustituir unas por otras no se tomó hastala 9ª CGPM (1948).
La definición del amperio referida a la fuerza originada entre dos conductores tenía como efecto el fijar el valor de la constante magnética μ0 (permeabilidaddel vacío). Por su parte, el valor de la constante ε0 (permitividad del vacío) quedó fijada como consecuencia de la nueva definición del metro adoptadaen 1983.Pero la realización práctica de la definición del amperio siempre ha sido muy dificultosa. Por ello, casi universalmente, el amperio se ha obtenido acudiendo a laley de Ohm. Así, mediante patrones basados en los efectos Josephson y Hall cuántico, ligados, respectivamente, a combinaciones particulares de la constantede Planck h y de la carga elemental e, se obtienen el voltio y el ohmio y, a partir de ellos, el amperio, con una incertidumbre menor que la que se obtendríarealizando de manera práctica su definición. Era lógico pues fijar el valor numérico de e para redefinir el amperio, a fín de mejorar la exactitud de los patroneseléctricos cuánticos.
En su reunión de 2005, el CIPM aclaró que la definición se refiere a un agua de una composición isotópica definida por las siguientes relaciones de cantidadde sustancia: 0,000 155 76 moles de 2H por mol de 1H, 0,000 379 9 moles de 17O por mol de 16O y 0,002 005 2 moles de 18O por mol de 16O (CIPM, 2005).
Cabe señalar aquí el mal uso de esta unidad en España, tanto en el ámbito ciudadano, debido a la influencia de los medios de comunicación, como en elcientífico, derivado de la incorrección secular de los libros de texto en cuanto a unidades de medida se refiere. Así, se habla de “grado centígrado” cuandoen realidad debería decirse “grado Celsius”, denominación establecida legalmente en 1948.
La magnitud utilizada por los químicos para especificar la cantidad de un elemento o compuesto químico es la “cantidad de sustancia”, la cual es proporcionalal número de entidades elementales especificadas existentes en una muestra, siendo la constante de proporcionalidad una constante universal y únicapara todas las muestras. La unidad de cantidad de sustancia se denomina mol y se define especificando la masa de carbono 12 que constituye un mol deátomos de carbono 12. Por acuerdo internacional dicho valor fue fijado en 0,012 kg; es decir, 12 g.La definición del mol determina a su vez el valor de la constante universal que relaciona el número de entidades con la cantidad de sustancia, para cualquiermuestra. Esta constante es la constante de Avogadro, de símbolo NA o L. Si N(X) denota el número de entidades X en una muestra especificada, y n(X) la cantidad de sustancia de X entidades en la misma muestra, la relación es n(X) = N(X)/NA. Dado que N(X) es adimensional y n(X) se expresa en mol, la constante de Avogadro tiene por unidad SI coherente el mol-1.
En 1980 el CIPM aprobó el informe presentado por el Comité Consultivo de Unidades (CCU), especificando que la definición se entiende referida a átomosde carbono 12 no ligados, en reposo y en su estado fundamental.
La unidad de intensidad luminosa basada en patrones de filamento incandescente, utilizada en varios países con anterioridad a 1948, fue reemplazadainicialmente por la “nueva candela”, basada en la luminancia de un radiador de Planck (cuerpo negro) a la temperatura de solidificación del platino. Esta modificaciónhabía sido sugerida por la Comisión Internacional de Iluminación (IEC) y por el CIPM antes de 1937, aunque la decisión fue finalmente promulgada por elCIPM en 1946, y ratificada en 1948 por la 9ª CGPM, la cual adoptó también como nombre internacional para esta unidad el de candela, símbolo cd. En 1967,la 13ª CGPM (Resolución 5) enmendó la definición anterior.
El proyecto internacional Avogadro pretende medir la relación existente ente las masas del átomo de silicio 28 y del prototipo internacional del kilogramo,m28Si/mPIKpara determinar el valor de la constante de Avogadro NA. El experimento establece una relación directa entre el kilogramo y una masa atómica.El principio consiste en contar el número de átomos de silicio existentes en una esfera de silicio 28 puro, de 1 kg de masa. La constante de malla del cristales medible macroscópicamente, evitando así la necesidad de contar individualmente los átomos. Se utiliza silicio, dado que es uno de los materiales mejorconocidos y que permite obtener cristales de gran tamaño, casi perfectos y de alta pureza.
La Recomendación G1 (2010) del Comité Consultivo de Masa (CCM) también exigía que al menos tres experimentos independientes, incluyendo el de labalanza de potencia y el de Avogadro, proporcionaran valores de las constantes relevantes con incertidumbres típicas relativas no superiores a 5 partes en108 y que al menos uno de estos resultados tuviera una incertidumbre típica relativa no superior a 2 partes en 108.
[1] METROLOGÍA ABREVIADA, Traducción de “Metrology – in short©” 3ª edición, Julio 2008, 2º edición en español. Edición digital. NIPO: 706-09-003-1.www.cem.es

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