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EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES SI - PDF
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Alfonso Naranjo Ortega
1 EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES SI
2 Este documento es una traducción de la 7ª. edición del original francés Le Système International d Unités y de la correspondiente versión en inglés (1998) y del Suplemento 2000, elaboradas por el Bureau International des Poids et Mesures BIPM. Este documento no incluye la traducción del Anexo 2. Realización Práctica de las Definiciones de las Principales Unidades. Traducción: J.A. Cogno Revisión final: R. Steinberg Las notas al margen del documento original no han sido incluidas en la presente versión de la traducción.
3 Indice 1. Introducción 1.1 Nota histórica 1.2 Dos clases de unidades SI 1.3 Los prefijos SI 1.4 El Sistema de Magnitudes 1.5 Las unidades SI en el marco de la relatividad general 1.6 Legislación sobre unidades 2 Unidades SI 2.1 Unidades SI de base Definiciones Unidad de longitud (metro) Unidad de masa (kilogramo) Unidad de tiempo (segundo) Unidad de corriente eléctrica (ampère) Unidad de temperatura termodinámica (kelvin) Unidad de cantidad de materia (mol) Unidad de intensidad luminosa (candela) Símbolos de las unidades de base 2.2 Unidades derivadas del SI Unidades expresadas en términos de las unidades de base Unidades con nombres y símbolos especiales; unidades que incorporan unidades con nombres y símbolos especiales Unidades para magnitudes adimensionales, magnitudes de dimensión 1 3. Múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades SI 3.1 Prefijos SI 3.2 El kilogramo 4. Unidades ajenas al SI 4.1 Unidades usadas con el SI 4.2 Otras unidades ajenas al SI
4 5. La escritura de los nombres y símbolos del SI 5.1 Principios generales 5.2 Símbolos de unidades SI 5.3 Algebra de los símbolos de las unidades SI 5.4 Reglas para usar prefijos SI Apéndice 1. Decisiones de la CGPM y del CIPM 1. Decisiones relativas al establecimiento del Sistema Internacional de Unidades, SI 1.1 Sistema Práctico de Unidades: establecimiento del SI 1.2 El SI 2. Decisiones relativas a las unidades de base del Sistema Internacional 2.1 Longitud 2.2 Masa 2.3 Tiempo 2.4 Corriente eléctrica 2.5 Temperatura Termodinámica 2.6 Cantidad de materia 2.7 Intensidad luminosa 3. Decisiones relativas a las unidades SI derivadas y suplementarias 3.1 Unidades SI derivadas 3.2 Unidades suplementarias SI 4. Decisiones concernientes a la terminología y la aceptación de unidades para uso con el SI 4.1 Prefijos SI 4.2 Símbolos de unidades y números 4.3 Nombres de unidades El Sistema Internacional de Unidades. Suplemento 2000; agregados y enmiendas a la 7ª. Edición (1998) Unidad de tiempo (segundo) Unidades con nombres y símbolos especiales; unidades que incorporan unidades con nombres y símbolos especiales 3.1 Unidades derivadas SI
5 1. Introducción 1.1 Nota histórica La novena CGPM (1948, resolución 6, CR, 64) dio las siguientes instrucciones al CIPM: estudiar el establecimiento de un conjunto completo de reglas para las unidades de medida. definir para ese propósito, por consultas oficiales, la opinión prevaleciente en círculos científicos, técnicos y educativos de todos los países. preparar recomendaciones para el establecimiento de un sistema práctico de unidades de medida adecuado para su adopción por todos los signatarios de la Convención del Metro. También definió, en su Resolución 7 (CR,70), principios generales para la escritura de símbolos de unidades y unidades definidas a las que se les había asignado nombres especiales. La décima CGPM (1954, Resolución 6, CR 80) y la 14ª. CGPM (1971, Resolución 3, CR 78 y Metrologia 1972, 8, 36) adoptaron como unidades de base de este sistema práctico de unidades, las unidades de las siguientes siete magnitudes: longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura termodinámica, cantidad de materia e intensidad luminosa. La 11ª. CGPM (1960, Resolución 12, CR 87) adoptó el nombre Système International d Unités, con la abreviatura internacional SI, para este sistema práctico de unidades y reglas definidas para prefijos, unidades derivadas y las anteriores unidades suplementarias y otras, por lo tanto estableciendo una especificación comprensible para las unidades de medida. Desde ese entonces, sucesivas reuniones del CGPM y del CIPM han agregado y modificado cuando fue necesario la estructura original del SI para tener en cuenta los avances de la ciencia y las necesidades de los usuarios. La sucesión histórica que llevó a esas importantes decisiones de la CGPM puede resumirse de la manera siguiente: La creación del Sistema Métrico Decimal en la época de la Revolución Francesa y el subsecuente depósito de dos patrones de platino representando el metro y el kilogramo, el 22 de Junio de 1799, en los Archivos de la República en París pueden ser vistos como el primer paso en el desarrollo del presente Sistema Internacional de Unidades. En 1832 Gauss promovió vigorosamente la aplicación de este Sistema Métrico, junto con el segundo definido astronómicamente, como un conjunto coherente de unidades para las ciencias físicas. Gauss fue el primero en efectuar mediciones absolutas del campo magnético terrestre en términos del sistema decimal basado en tres unidades mecánicas, milímetro, gramo y segundo, para las magnitudes longitud, masa y tiempo. En años posteriores Gauss y Weber extendieron esas mediciones para incluir fenómenos eléctricos.
6 Estas aplicaciones en el campo de la electricidad y magnetismo fueron más desarrolladas en la década de 1860 bajo el liderazgo activo de Maxwell y Thomson a través de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (BAAS). Ellos formularon el requerimiento de un sistema coherente de unidades con unidades de base y unidades derivadas. En 1874 la BAAS introdujo el sistema CGS, un sistema coherente tridimensional basado en las tres unidades mecánicas centímetro, gramo y segundo, usando prefijos que iban desde micro a mega para expresar submúltiplos y múltiplos decimales. El desarrollo subsiguiente de la física como ciencia experimental tuvo en gran parte como base el uso del sistema CGS. Los tamaños de las unidades coherentes CGS en los campos de la electricidad y el magnetismo resultaron inadecuados, y por lo tanto en la década de 1880 la BAAS y el Congreso Eléctrico Internacional, predecesor de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) aprobaron un sistema mutuamente coherente de unidades prácticas. Entre ellas estaban el ohm para la resistencia eléctrica, el volt para la fuerza electromotriz, y el ampère para la corriente eléctrica. Luego del establecimiento de la Convención del Metro el 20 de Mayo de 1875 el CIPM se concentró en la construcción de los nuevos prototipos tomando el metro y el kilogramo como las unidades de base de longitud y de masa. En 1889 el primer CGPM sancionó los prototipos internacionales para el metro y para el kilogramo. Junto con el segundo astronómico como unidad de tiempo, esas unidades constituyeron un sistema mecánico tridimensional similar al sistema CGS, pero con las unidades de base metro, kilogramo y segundo, el sistema MKS. En 1901 Giorgi probó que es posible combinar las unidades mecánicas de ese sistema metro kilogramo - segundo con las unidades eléctricas prácticas para formar un único sistema cuadridimensional añadiendo a las tres unidades de base una cuarta de naturaleza eléctrica, y reescribiendo las ecuaciones del electromagnetismo en la así llamada forma racionalizada. La propuesta de Giorgi abrió el camino para una serie de nuevos desarrollos. Luego de la revisión de la Convención del Metro por la 6ª. CGPM en 1921, la cual extendió el alcance y responsabilidades del BIPM a otros campos de la física, y la subsecuente creación del CCE por la 7ª. CGPM en 1927, la propuesta de Giorgi fue exhaustivamente discutida por el IEC, la IUPAP y otras organizaciones internacionales. Esto llevó a que la CCE propusiera en 1939 la adopción de un sistema cuadridimensional basado en el metro, el kilogramo, el segundo y el ampère, el sistema MKSA, propuesta que el CIPM aprobó en Luego de una encuesta internacional realizada por el BIPM desde 1948, la 10ª. CGPM aprobó en 1954 la introducción del ampère, el kelvin y la candela como unidades de base, respectivamente, para la corriente eléctrica, la temperatura termodinámica y la intensidad luminosa. El nombre Système International d Únités (SI) fue dado al sistema por la 11ª. CGPM en En la 14ª. CGPM en 1971 la versión existente del SI fue completada con el agregado del mol como la unidad de base de la cantidad de materia, llevando el número total de unidades de base a Dos clases de unidades SI
7 Las unidades SI están divididas en dos clases: unidades de base y unidades derivadas. Desde el punto de vista científico, la división de las unidades SI en esas dos clases es en cierta medida arbitrario, dado que no es esencial a la física. No obstante, el CGPM, considerando las ventajas de un sistema de unidades de medida único, práctico y de alcance mundial para las relaciones internacionales, para la enseñanza y para el trabajo científico, decidió basar el Sistema Internacional en una selección de siete unidades bien definidas que por convención se consideran dimensionalmente independientes: el metro, el kilogramo, el segundo, el ampère, el kelvin, el mol y la candela (ver 2.1). Estas unidades SI se denominan unidades de base. La segunda clase de unidades SI son las unidades derivadas. Estas son unidades formadas como productos de potencias de las unidades de base de acuerdo con las relaciones algebraicas que vinculan las magnitudes involucradas. Los nombres y símbolos de las unidades así formadas en términos de las unidades de base pueden reemplazarse por nombres especiales y símbolos que pueden ser asimismo usados para formar expresiones y símbolos de otras unidades derivadas (ver 2.2). Las unidades SI de estas dos clases forman un conjunto coherente de unidades, donde la coherencia debe entenderse en el sentido especial de un sistema cuyas unidades están relacionadas mutuamente por reglas de multiplicación y de división con ningún factor numérico diferente de 1. Siguiendo la Recomendación CIPM 1 (1969, PV, 37, y Metrologia, 1970, 6, 66), las unidades de ese conjunto coherente de unidades se designan con el nombre de unidades SI. Es importante enfatizar que cada magnitud física tiene solamente una unidad SI, aún si esa unidad puede expresarse de diferentes formas. No obstante, la recíproca no es cierta, en algunos casos la misma unidad SI puede usarse para expresar los valores de varias magnitudes diferentes. 1.3 Los prefijos SI La CGPM adoptó una serie de prefijos para ser usados en la formación de los múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades SI (ver 3.1 y 3.2). De acuerdo con la Recomendación CIPM 1 (1969) antes mencionada, éstos son conocidos como prefijos SI. Las unidades SI, esto es las unidades de base y derivadas del SI, forman un conjunto coherente, el conjunto de las unidades SI. Los múltiplos y submúltiplos de las unidades SI formados usando las unidades SI combinadas con los prefijos SI se denominan por su nombre completo, múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades SI. Estos múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades SI no son coherentes con las unidades SI. Como una excepción, los múltiplos y submúltiplos del kilogramo se forman agregando prefijos al nombre gramo y símbolos de prefijos al símbolo de la unidad g. 1.4 El Sistema de Magnitudes
8 El Sistema de Magnitudes usado con las unidades SI se trata en el Comité 12 de la Organización Internacional de Estandarización (ISO/TC12) y no se cubre en el presente documento. Desde 1955 ISO/TC 12 publicó una serie de Normas Internacionales sobre magnitudes y sus unidades, las cuales recomiendan fuertemente el uso del Sistema Internacional de Unidades. En esas Normas Internacionales, ISO adoptó un sistema de magnitudes físicas basadas en las siete magnitudes de base correspondientes a las siete unidades de base del SI, esto es longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura termodinámica, cantidad de materia e intensidad luminosa. Otras magnitudes, llamadas magnitudes derivadas, se definen en términos de esas siete magnitudes de base. Las relaciones entre magnitudes derivadas y magnitudes de base se expresan por un sistema de ecuaciones. Este es el sistema de magnitudes y ecuaciones que es adecuado usar con las unidades SI. 1.5 Las unidades SI en el marco de la relatividad general Las definiciones de las unidades de base del SI fueron acordadas en un contexto que no tuvo en cuenta efectos relativistas. Cuando estos se toman en cuenta, es claro que esas definiciones se aplican solamente en un pequeño dominio espacial que comparte el movimiento de los patrones que las realizan. Estas unidades son por lo tanto unidades propias, ellas se realizan a partir de experimentos locales en los cuales los efectos relativistas que deben tomarse en cuenta son los de la relatividad especial. Las constantes de la física son magnitudes locales con sus valores expresados en unidades propias. Las realizaciones de una unidad usando diferentes patrones se comparan habitualmente en forma local. No obstante, los patrones de frecuencia permiten ese tipo de comparaciones a distancia por medio de señales electromagnéticas. Para interpretar los resultados se requiere de la teoría de la relatividad general, dado que ella predice, entre otros efectos, una diferencia de frecuencia entre patrones de aproximadamente una parte en por cada metro de diferencia de altitud en la superficie de la Tierra. Los efectos de esta magnitud pueden ser comparables a la incertidumbre en la realización del metro o del segundo basados en una señal periódica de frecuencia dada (Apéndice 2). 1.6 Legislación sobre unidades Por ley, cada país ha establecido reglas para el uso de unidades con alcance nacional, ya sea para uso general o para áreas específicas como el comercio, la salud, seguridad pública y educación. En casi todos los países esta legislación está basada en el uso del Sistema Internacional de Unidades. La organización Internacional de Metrología Legal (OIML), fundada en 1955, se encarga de la armonización a nivel internacional de estas legislaciones.
9 2. Unidades SI 2.1 Unidades SI de base Las definiciones formales de todas las unidades de base del SI son aprobadas por el CGPM. La primera de tales definiciones fue aprobada en 1889 y la más reciente en Estas definiciones se modifican a lo largo del tiempo en la medida que las técnicas de medición evolucionan y permiten realizaciones más exactas de las unidades de base Definiciones Las definiciones actuales de las unidades de base, tomadas de los Comptes Rendus (CR) de las correspondientes CGPM, se muestran aquí con márgenes y en negrita. Otras decisiones relacionadas que clarifican esas definiciones, pero que no son parte formalmente de las mismas, tomadas de los Comptes Rendus (CR) de los correspondientes CGPM o de los Procès-Verbaux (PV) del CIPM, también se muestran con márgenes y en caracteres corrientes. El texto de enlace provee notas históricas y explicaciones, pero no es parte de las definiciones Unidad de longitud (metro) La definición de 1889 del metro, basada en el prototipo internacional de platino- iridio, fue reemplazada por la 11ª. CGPM (1960), usando una definición basada en la longitud de onda de la radiación de kriptón 86. Esta definición fue adoptada con el propósito de mejorar la exactitud con la cual se realizaba el metro. A su vez, fue reemplazada en 1983 por la 17ª. CGPM (Resolución 1, CR, 97 y Metrologia 1984, 20,25): El metro es la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/ de segundo. Nótese que esta definición tiene como efecto fijar la velocidad de la luz en exactamente m s 1. El prototipo internacional original del metro, el cual fue sancionado por la 1ª. CGPM en 1889 (CR, 34-38) todavía se mantiene en el BIPM bajo las condiciones especificadas en Unidad de masa (kilogramo) El prototipo internacional del kilogramo, hecho de platino iridio, se mantiene en el BIPM bajo las condiciones especificadas por la 1ª. CGPM en 1889 (CR, 34-38) cuando sancionó el prototipo y declaró que: Este prototipo será de aquí en adelante considerado la unidad de masa La 3ª. CGPM (1901, CR, 70), en una declaración que intentaba terminar con la ambigüedad en el uso popular de la palabra peso, confirmó que:
10 El kilogramo es la unidad de masa: es igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo Unidad de tiempo (segundo) La unidad de tiempo, el segundo, fue en una época considerada la fracción 1/ del día solar medio. La definición exacta de día solar medio estaba basada en teorías astronómicas. No obstante, mediciones mostraron que existían irregularidades en la rotación de la Tierra que no podían ser explicadas por la teoría y que tenían como efecto que esa definición no permitía lograr el nivel de exactitud requerido. Para definir la unidad de tiempo de una manera más precisa, la 11ª. CGPM (1960;CR,86) adoptó una definición dada por la Unión Astronómica Internacional basada en el año trópico. No obstante, existía base experimental que ya había mostrado que un intervalo de tiempo atómico patrón, basado en la transición entre dos niveles de energía de un átomo o de una molécula, podía ser realizado y reproducido con mucha mayor precisión. Considerando que una definición muy precisa de la unidad de tiempo es indispensable para el Sistema Internacional, la 13ª. CGPM ( , Resolución 1; CR 103 y Metrologia, 1968, 4, 43) reemplazó la definición del segundo por la siguiente: El segundo es la duración de períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado base del átomo de cesio 133 En su reunión de 1997, el CIPM estableció que: Esta definición se refiere a un átomo de cesio en reposo a la temperatura de 0 K Unidad de corriente eléctrica (ampère) Las unidades eléctricas, llamadas internacionales, de corriente y resistencia fueron introducidas por el Congreso Eléctrico Internacional celebrado en Chicago en 1893, y las definiciones del ampère internacional y del ohm internacional fueron confirmadas por la Conferencia Internacional de Londres de A pesar que ya en ocasión del 8º. CGPM (1933) era obvio que había un deseo unánime de reemplazar esas unidades internacionales por las llamadas unidades absolutas, la decisión oficial de abolirlas no se tomó hasta la 9ª. CGPM (1948), la cual adoptó el ampère como unidad de corriente eléctrica, siguiendo una definición propuesta por el CIPM (1946, Resolución 2; PV, 20, ): El ampère es aquella corriente continua que, cuando se mantiene en dos conductores rectos plano paralelos de longitud infinita y de sección circular despreciable, ubicados entre sí a una distancia de 1 metro en el vacío, produciría entre esos conductores una fuerza igual a 2 x 10 7 newton por metro de longitud
11 La expresión unidad de fuerza MKS que aparece en el texto original de 1946 ha sido reemplazada aquí por newton, el nombre adoptado para esa unidad por la 9ª. CGPM (1948, Resolución 7; CR, 70). Nótese que el efecto de esta definición es fijar la permeabilidad del vacío en exactamente 4 Π 10 7 H m Unidad de temperatura termodinámica (kelvin) La definición de la unidad de temperatura termodinámica fue esencialmente dada por la 10ª. CGPM (1954, Resolución 3; CR, 79), la cual eligió el punto triple de agua como el punto fijo fundamental y asignó a él la temperatura K, definiendo así la unidad. La 13ª. CGPM ( , Resolución 3; CR, 104 y Metrologia, 1968, 4, 43) adoptaron el nombre kelvin (símbolo K) en lugar de grado Kelvin (símbolo K) y definieron la unidad de temperatura termodinámica de la manera siguiente (Resolución 4; CR, 104 y Metrologia, 1968, 4, 43): El kelvin, unidad de temperatura termodinámica, es la fracción 1/ de la temperatura termodinámica del punto triple del agua Debido a la forma en la cual se acostumbraba definir las escalas de temperatura, sigue siendo una práctica común expresar la temperatura termodinámica, símbolo T, en términos de su diferencia respecto de la temperatura de referencia T 0 = 273,15 K, el punto de hielo. Esta diferencia de temperatura se denomina temperatura Celsius, símbolo t, y se define por la ecuación t = T T 0 La unidad de temperatura Celsius es el grado Celsius, símbolo C, la cual es por definición igual en magnitud al kelvin. Una diferencia o intervalo de temperatura puede expresarse en kelvins o en grados Celsius (13ª. CGPM, , Resolución 3 antes mencionada). El valor numérico de una temperatura Celsius t expresada en grados Celsius está dado por: T/ C = T/K 273,15 El kelvin y el grado Celsius también son las unidades de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90), adoptada por el CIPM en 1989 en su Recomendación 5 (CI- 1989) (PV, 57, 115 y Metrologia, 1990, 27, 13) Unidad de cantidad de materia (mol) Luego del descubrimiento de las leyes fundamentales de la química se utilizaron unidades tales como átomo - gramo y molécula - gramo para especificar las cantidades de elementos o compuestos químicos. Estas unidades tenían una conexión directa con pesos atómicos y pesos moleculares, que son de hecho masas relativas. Originalmente, los pesos atómicos estuvieron referidos al peso atómico del oxígeno, fijado por consenso general como 16. Pero mientras los físicos separaban isótopos en el espectrómetro de masas y atribuían el valor 16 a uno de los isótopos del oxígeno, los químicos atribuían el mismo valor a la ligeramente variable mezcla de isótopos 16, 17 y 18 que para ellos era la forma
12 del oxígeno que se encuentra en la naturaleza. Finalmente, un acuerdo entre la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP) y la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) terminó con esta dualidad en Desde ese entonces los físicos y los químicos han acordado asignar el valor exacto 12 al peso atómico, más correctamente masa atómica relativa, del isótopo de carbono con número de masa 12 (carbono 12, 12 C). La escala unificada así obtenida da los valores de masa atómica relativa. Quedaba por definir la unidad de cantidad de materia fijando una masa correspondiente de carbono 12. Por acuerdo internacional esa masa fue fijada en kg, y a la unidad de cantidad de materia se le asignó el nombre mol (símbolo mol). Siguiendo propuestas de la IUPAP, IUPAC e ISO, el CIPM dio la definición del mol en 1967 y confirmó la misma en 1969, la cual fue adoptada por la 14ª. CGPM (1971, Resolución 3; CR, 78 y Metrologia, 1972, 8, 36): 1. El mol es la cantidad de materia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como hay átomos en kilogramos de carbono 12; su símbolo es mol. 2. Cuando se usa el mol, deben especificarse las entidades elementales, las cuales pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones, otras partículas o grupos específicos de tales partículas. En 1980 el CIPM aprobó el informe del CCU (1980) que especificó que: En esa definición, debe entenderse átomos no ligados de carbono 12, en reposo y en su estado fundamental Unidad de intensidad luminosa (candela) Las unidades de intensidad luminosa basadas en lámparas de llamas o patrones de filamento incandescentes en uso en varios países antes de 1948 fueron reemplazadas inicialmente por la nueva candela,basada en la luminancia de un radiador de Planck (un cuerpo negro) a la temperatura de solidificación del platino. Esta modificación había sido preparada por la Comisión Internacional de la Iluminación (CIE) y por el CIPM antes de 1937 y la decisión promulgada por el CIPM en Luego fue ratificada en 1948 por el 9º. CGPM, el cual adoptó un nuevo nombre internacional para esta unidad, la candela (símbolo cd); en 1967 la 13ª. CGPM (Resolución 5; CR, 104 y Metrologia, 1968, 4, 43-44) dieron una versión corregida de la definición de En 1979, debido a las dificultades experimentales en la realización de un radiador de Planck a altas temperaturas y las nuevas posibilidades ofrecidas por la radiometría, por ejemplo la medición de potencia de radiación óptica, la 16ª. CGPM (1979, Resolución 3; CR, 100 y Metrologia, 1980, 16, 56) adoptó una nueva definición de la candela: La candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite radiación monocromática de frecuencia 540 x hertz y que tiene una intensidad radiante en esa dirección de 1/683 watt por estereoradian
13 2.1.2 Símbolos de las unidades de base Las unidades de base del Sistema Internacional se registran en la Tabla 1, la cual relaciona la magnitud de base con el nombre de la unidad y el símbolo de la unidad (10ª. CGPM (1954, Resolución 6; CR, 80); 11ª. CGPM (1960, Resolución 12; CR, 87); 13ª. CGPM ( , Resolución 3; CR, 104 y Metrologia, 1968, 4,43); 14ª. CGPM (1971, Resolución 3; CR, 78 y Metrologia, 1972, 8, 36). Tabla 1. Unidades de base del SI Unidad de base del SI Magnitud de base nombre símbolo Longitud metro m Masa kilogramo kg Tiempo segundo s Corriente eléctrica ampère A Temperatura termodinámica kelvin K Cantidad de materia mol mol Intensidad luminosa candela cd
14 2.2 Unidades derivadas del SI Las unidades derivadas son aquellas que pueden ser expresadas en términos de las unidades de base por medio de los símbolos matemáticos de la multiplicación y de la división. Ciertas unidades derivadas han recibido nombres y símbolos especiales, y ellos pueden asimismo ser usados en combinación con los de las unidades de base o con los de otras derivadas para expresar las unidades de otras magnitudes Unidades expresadas en términos de las unidades de base La Tabla 2 incluye algunos ejemplos de unidades derivadas expresadas directamente en términos de las unidades de base. Las unidades derivadas se obtienen por multiplicación y división de las unidades de base. Tabla 2. Ejemplos de unidades derivadas SI expresadas en términos de las unidades de base Unidad derivada del SI Magnitud derivada nombre símbolo área metro cuadrado m 2 volumen metro cúbico m 3 rapidez, velocidad metro por segundo m / s aceleración metro por segundo cuadrado m / s 2 número de onda recíproca de metro m 1 densidad, densidad de masa kilogramo por metro cúbico kg / m 3 volumen específico metro cúbico por kilogramo m 3 / kg densidad de corriente ampère por metro cuadrado A / m 2 fuerza de campo magnético ampère por metro A / m concentración mol por metro cúbico mol / m 3 (de cantidad de materia) luminancia candela por metro cuadrado cd / m 2 índice de refracción (el número) uno I (a) (a) el símbolo I generalmente se omite en combinación con un valor numérico
15 2.2.2 Unidades con nombres y símbolos especiales; unidades que incorporan unidades con nombres y símbolos especiales Por conveniencia, a ciertas unidades derivadas, las cuales figuran en la Tabla 3, se les han asignado nombres y símbolos especiales. Esos nombres y símbolos pueden ser usados para expresar otras unidades derivadas: la Tabla 4 muestra algunos ejemplos. Los nombres y símbolos especiales son una forma compacta para la expresión de unidades de uso frecuente. Entre esos nombres y símbolos, las últimas tres entradas de la Tabla 3 son de particular interés porque fueron aceptadas por la 15ª. CGPM (1975, Resoluciones 8 y 9; CR, 105 y Metrologia, 1975, 11, 180) y por la 16ª. CGPM (1979, Resolución 5; CR, 100 y Metrologia, 1980, 16, 56) específicamente con el propósito de preservar la salud humana. En las Tablas 3 y 4, la columna final muestra como las unidades SI pueden ser expresadas en términos de las unidades de base SI. En esa columna no se muestran explícitamente factores tales como m 0, kg 0..., los cuales son todos iguales a 1.
16 Tabla 3. Unidades SI con nombres y símbolos especiales Unidad derivada SI Expresada en Expresada en términos de términos de otras otras Magnitud derivada nombre símbolo unidades SI unidades de base SI ángulo plano radián (a) rad m m 1 = 1 (b) ángulo sólido estereoradián (a) sr (c) m 2 m 2 = 1 (b) frecuencia hertz Hz s 1 fuerza newton N m kg. s 2 presión, esfuerzo pascal Pa N m 2 m 1 kg s 2 energía, trabajo, cantidad de calor joule J N m m 2 kg s 2 potencia, flujo radiante watt W J / s m 2 kg s 3 carga eléctrica, cantidad de electricidad coulomb C s A diferencia de potencial eléctrico, fuerza electromotriz volt V W / A m 2 kg s 3 A 1 capacitancia farad F C / V m 2 kg 1 s 4 A -2 resistencia eléctrica ohm Ω V / A m 2 kg s 3 A 2 conductancia eléctrica siemens S A / V m 2 kg 1 s 3 A 2 flujo magnético weber Wb V s m 2 kg s 2 A 1 densidad de flujo magnético tesla T Wb / m 2 kg s -2 A 1 inductancia henry H Wb / A m 2 kg s 2 A 2 temperatura Celsius grado Celsius (d) C K flujo luminoso lumen lm cd sr (c ) m 2 m 2 cd = cd iluminancia lux lx lm / m 2 m 2 m -4 cd = m 2 cd actividad (de un radionucléido) becquerel Bq s 1 dosis absorbida, energía específica (impartida), kerma gray Gy J / kg m 2 s 2 dosis equivalente, dosis equivalente ambiente, dosis equivalente direccional, dosis equivalente personal, dosis equivalente orgánica sievert Sv J / kg m 2 s 2 (a) puede ser ventajoso usar el radián y el estereoradián en expresiones de unidades derivadas para distinguir entre magnitudes de diferente naturaleza pero con la misma dimensión. Algunos ejemplos de su uso en la formación de unidades derivadas se dan en la Tabla 4. (b) en la práctica, los símbolos rad y sr se usan cuando es apropiado, pero la unidad derivada 1 en combinación con un valor numérico en general se omite. (c) en fotometría, generalmente el nombre estereoradián y el símbolo sr se mantienen en las expresiones de unidades. (d) esta unidad puede usarse en combinación con prefijos SI, por ejemplo miligrado Celsius, m C.
17 Tabla 4. Ejemplos de unidades derivadas SI cuyos nombres y símbolos incluyen unidades derivadas SI con nombres y símbolos especiales Unidad derivada SI Expresada en términos de Magnitud derivada nombre símbolo unidad de base SI viscosidad dinámica pascal segundo Pa s m 1 kg s 1 momento de una fuerza newton metro N m m 2 kg s 2 tensión superficial newton por metro N / m kg s 2 velocidad angular radián por segundo rad / s m m 1 s 1 = s 1 aceleración angular radián por segundo cuadrado rad / s 2 m m 1 s 2 = s 2 densidad de flujo de calor, irradiancia watt por metro cuadrado W / m 2 kg s 3 capacidad calorífica, entropía joule por kelvin J / K m 2 kg s 2 K 1 capacidad calorífica específica, entropía específica joule por kilogramo kelvin J / ( kg K) m 2 s 2 K 1 energía específica joule por kilogramo J / kg m 2 s 2 conductividad térmica watt por metro kelvin W / (m K) m kg s 3 K 1 densidad de energía joule por metro cúbico J / m 3 m 1 kg s 2 fuerza de campo eléctrico volt por metro V / m m kg s 3 A 1 densidad de carga eléctrica coulomb por metro cúbico C / m 3 m 3 s A densidad de flujo eléctrico coulomb por metro cuadrado C / m 2 m 2 s A permitividad farad por metro F / m m 3 kg 1 s 4 A 2 permeabilidad henry por metro H / m m kg s 2 A 2 energía molar joule por mol J / mol m 2 kg s 2 mol 1 entropía molar, capacidad calorífica molar joule por mol kelvin J / (mol K) m 2 kg s 2 K 1 mol 1 exposición (rayos X y γ) coulomb por kilogramo C / kg kg 1 s A tasa de dosis absorbida gray por segundo Gy / s m 2 s 3 intensidad radiante watt por estereoradián W / sr m 4 m 2 kg s 3 = m 2 kg s 3 radiancia watt por metro cuadrado estereoradián W / ( m 2 sr ) m 2 m 2 kg s 3 = kg s 3 Una unidad SI puede corresponder a varias magnitudes diferentes, como se indicó en el parágrafo 1.2. En la Tabla anterior, que no es exhaustiva, hay varios ejemplos. De esa forma el joule por kelvin (J / K) es la unidad SI para la magnitud capacidad calorífica así como para la magnitud entropía; también el ampère (A) es la unidad SI para la magnitud de base corriente eléctrica así como para la magnitud derivada fuerza magnetomotriz. Por lo tanto es importante no usar la unidad aislada para especificar la magnitud. Esta regla se aplica no solamente a los textos científicos y técnicos sino también, por ejemplo, a los instrumentos de medición (esto es, un instrumento debería indicar la unidad y la magnitud medida).
18 Una unidad derivada puede ser expresada de varias formas combinando los nombres de las unidades de base con nombres especiales para unidades derivadas. Esto, no obstante, es una licencia algebraica que debe ser gobernada por consideraciones físicas de sentido común. Joule, por ejemplo, puede ser formalmente escrito como newton metro, o aún kilogramo metro cuadrado por segundo cuadrado, pero en dadas situaciones algunas formas pueden ser más útiles que otras. En la práctica, para ciertas magnitudes se prefiere usar ciertos nombres de unidades especiales, o combinaciones de nombres de unidades, con el propósito de facilitar la distinción entre diferentes magnitudes que tienen la misma dimensión. Por ejemplo, la unidad SI de frecuencia es el hertz, en lugar del recíproco del segundo, y la unidad SI de velocidad angular es el radián por segundo en lugar del recíproco del segundo (en ese caso el retener la palabra radián enfatiza el hecho que la velocidad angular es igual a 2 Π veces la frecuencia rotacional). Similarmente, la unidad SI de momento de una fuerza es el newton metro en lugar del joule. En el campo de la radiaciones ionizantes, la unidad SI de actividad es el becquerel en lugar del recíproco del segundo, y las unidades SI de dosis absorbida y de dosis equivalente son el gray y el sievert, respectivamente, en lugar del joule por kilogramo. Los nombres especiales becquerel, gray y sievert fueron introducidos específicamente debido al peligro para la salud humana que podría originarse por errores debidos a las unidades recíproco del segundo y joule por kilogramo Unidades para magnitudes adimensionales, magnitudes de dimensión 1 Ciertas magnitudes se definen como cocientes de dos magnitudes de la misma especie, y por lo tanto tienen una dimensión que puede ser expresada por el número 1. La unidad de tales magnitudes es necesariamente una unidad derivada coherente con las otras unidades del SI y, dado que está formada como el cociente de dos unidades SI idénticas, la unidad también puede expresarse por el número 1. Por lo tanto, la unidad SI de todas las magnitudes que tienen el producto dimensional 1 es el número 1. Ejemplos de esas magnitudes son el índice de refracción, la permeabilidad relativa y el factor de fricción. Otras magnitudes que tienen la unidad 1 incluyen números característicos como el número de Prandtl y números que representan una cuenta, como el número de moléculas, degeneración (número de niveles de energía) y la función de partición en termodinámica estadística. Todas esas magnitudes se describen como adimensionales, o de dimensión 1, y tienen la unidad coherente SI 1. Sus valores se expresan simplemente como números y en general el número 1 no se explicita. En algunos casos, no obstante, se asigna un nombre especial a esa unidad, fundamentalmente para evitar confusión con unidades derivadas compuestas. Este es el caso con el radian, estereoradián y neper. 3. Múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades SI 3.1 Prefijos SI La 11ª. CGPM (1960, Resolución 12; CR, 87) adoptó una serie de prefijos y símbolos de prefijos para formar los nombres y símbolos de los múltiplos y submúltiplos decimales de
19 las unidades SI en el rango de a Los prefijos para y fueron agregados por la 12ª. CPGM (1964, Resolución 8; CR, 94), para y por la 15ª. CGPM (1975, Resolución 10; CR, 106 y Metrologia, 1975, 11, ) y para 10 21, 10 24, y por la 19ª. CGPM (1991, Resolución 4; CR, 185 y Metrologia, 1992, 29, 3). La Tabla 5 lista todos los prefijos y símbolos aprobados. Tabla 5. Prefijos SI Factor nombre símbolo Factor nombre símbolo yotta Y 10-1 deci d zetta Z 10-2 centi c exa E 10-3 mili m peta P 10-6 micro µ tera T 10-9 nano n 10 9 giga G pico p 10 6 mega M femto f 10 3 kilo k atto a 10 2 hecto h zepto z 10 1 deca da yocto y
20 3.2 El kilogramo Entre las unidades de base del Sistema Internacional, la unidad de masa es la única cuyo nombre, por razones históricas, contiene un prefijo. Los nombres y símbolos para los múltiplos y submúltiplos decimales de la unidad de masa se forman adjuntando los prefijos al nombre de unidad gramo y los símbolos de esos prefijos al símbolo de la unidad g (CIPM, 1967, Recomendación 2; PV, 35, 29 y Metrologia, 1968, 4, 45). Ejemplo, 10 6 kg = 1 mg (1 miligramo) Pero no 1 ìkg (1 microkilogramo) 4. Unidades ajenas al SI Las unidades SI se recomiendan para su aplicación en la ciencia, la tecnología y el comercio. Tienen acuerdo internacional por parte del CGPM y proveen una referencia en términos de la cual se definen actualmente todas las otras unidades. Las unidades de base SI y las unidades derivadas SI, incluyendo aquellas con nombres especiales, tienen la importante ventaja de formar un conjunto coherente con el efecto que no se requieren conversiones de unidades cuando se asignan valores particulares a las magnitudes en las ecuaciones entre magnitudes. No obstante, se reconoce que algunas unidades no pertenecientes al SI todavía tienen un amplio uso en la literatura científica, técnica y comercial, y que algunas probablemente seguirán siendo usadas por muchos años. Otras unidades no pertenecientes al SI, por ejemplo las unidades de tiempo, son tan ampliamente usadas en la vida diaria, y están tan profundamente enraizadas en la historia y cultura humana, que seguirán siendo usadas en el futuro previsible. Por esas razones algunas de las más importantes unidades ajenas al SI se registran en las tablas a continuación. La inclusión de tablas de unidades ajenas al SI en este texto no implica que se estimule el uso de las mismas. Excepto algunas pocas excepciones que se detallan más adelante, las unidades SI siempre deben preferirse a las unidades ajenas al SI. Es deseable evitar la combinación de unidades ajenas al SI con unidades SI, en particular la combinación de tales unidades con unidades SI para formar unidades compuestas debe restringirse a casos especiales para conservar la ventaja de la coherencia que confiere el uso de las unidades SI. 4.1 Unidades usadas con el SI El CIPM (1969), reconociendo el hecho que algunos usuarios desearían usar el SI junto con unidades que no son parte del mismo, pero que son importantes y ampliamente usadas, había reconocido tres categorías de unidades ajenas al SI: unidades que deberían ser mantenidas, otras que deberían ser aceptadas temporalmente, y otras que deben ser evitadas. Revisando esta clasificación el CIPM (1996) acordó una nueva clasificación de las unidades ajenas al SI: unidades aceptadas para su uso con el SI, Tabla 6; unidades aceptadas para uso con el SI cuyos valores se obtienen experimentalmente, Tabla 7; y otras unidades actualmente aceptadas para su uso con el SI para la satisfacción de necesidades especiales, Tabla 8.
Sistema Internacional de Unidades SI > 1. Unidades de Medida El Sistema SI fue establecido en 1960 por la XI Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM): "El Sistema Internacional de Unidades, SI, es
2 Oficina Internacional de Pesas y Medidas El Sistema Internacional de Unidades (SI) 8ª Edición 2ª edición en español 2006 2008 Oficina Internacional de Pesas y Medidas Organización Intergubernamental
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