Kilogramo

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Kilogramo
kg
Una imagen generada por computadora del prototipo internacional del kilogramo, con una regla de pulgadas al lado. Es comparable en tamaño a una pelota de golf, los bordes están biselados para minimizar el desgaste del material.
Valor	Peso
Sistema	SI
Tipo de	principal
Ver prefijos SI
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El kilogramo (designación rusa: kg ; internacional: kg ) es una unidad de masa , una de las siete unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades (SI) . Además, es una unidad de masa y es una de las unidades básicas en los sistemas ISS , MKSA , MKSK ( MKSG ), MKSL [1] . El kilogramo es la única de las unidades básicas del SI que se usa con el prefijo ("kilo", símbolo "k").

La XXVI Conferencia General de Pesos y Medidas (13 al 16 de noviembre de 2018) aprobó [2] la definición del kilogramo basada en fijar el valor numérico de la constante de Planck . La decisión entró en vigor el 20 de mayo de 2019.

El kilogramo, de símbolo kg, es la unidad de masa del SI; su valor se establece fijando el valor numérico de la constante de Planck h igual a exactamente 6.62607015⋅10 -34 cuando se expresa en la unidad SI J⋅s, que es equivalente a kg⋅m 2 ⋅s −1 , donde el el metro y el segundo están definidos por c y Δ ν Cs . [3] [4]

La definición del kilogramo, que estuvo vigente hasta mayo de 2019, fue adoptada por la III Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) en 1901 y quedó formulada de la siguiente manera [5] [6] :

El kilogramo es una unidad de masa igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo.

Hasta el 20 de mayo de 2019, el kilogramo siguió siendo la última unidad SI definida a partir de un objeto hecho por el hombre. Después de la adopción de la nueva definición, desde un punto de vista práctico, el valor del kilogramo no ha cambiado, pero el “prototipo” (estándar) existente ya no define el kilogramo, sino que es un peso muy preciso con un error potencialmente medible. .

Prototipo del kilogramo

El prototipo internacional ( estándar ) del kilogramo se almacena en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (ubicada en Sevres , cerca de París ) y es un cilindro con un diámetro y una altura de 39,17 mm hecho de una aleación de platino-iridio (90% platino, 10% iridio).

El estándar internacional moderno del kilogramo fue emitido por la Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) en 1889 sobre la base de la Convención Métrica (1875) y depositado en el Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), actuando en nombre de la CGPM. El patrón internacional del kilogramo casi nunca se mueve ni se utiliza. Se conservan copias en instituciones metrológicas nacionales de todo el mundo. En 1889, 1948, 1989 y 2014, las copias fueron verificadas con un patrón para garantizar la uniformidad de las medidas de masa en relación con el patrón [7] . Dado que se descubrieron cambios en las masas de las copias del estándar, el Comité Internacional de Pesos y Medidas (CIPM) recomendó que el kilogramo se redefiniera usando propiedades físicas fundamentales .

El kilogramo y la constante de Planck

La relación entre la masa y la constante de Planck desde un punto de vista teórico está determinada por dos fórmulas [8] . La equivalencia de masa y energía relaciona energía y masa : $mi$ $metro$

\E=mc^{2},

donde es la velocidad de la luz en el vacío. La constante de Planck vincula los conceptos cuánticos y tradicionales de energía: $C$ $h$

{\ estilo de visualización E = h \ nu,}

donde esta la frecuencia . $\nu$

Estas dos fórmulas, encontradas a principios del siglo XX, establecen la posibilidad teórica de medir la masa a través de la energía de los fotones individuales , pero los experimentos prácticos que permiten relacionar la masa y la constante de Planck no aparecieron hasta finales del siglo XX. .

La balanza Kibble se ha utilizado desde mediados de la década de 1970 para medir el valor de la constante de Planck. Los empleados del Instituto Nacional de Normas de EE. UU. P. More ( ing. Peter Mohr ) y B. Taylor ( ing. Barry Taylor ) en 1999 propusieron, por el contrario, fijar el valor de la constante de Planck y determinar la masa utilizando estos pesos. Nombrado póstumamente en honor al inventor, B. Kibble, la balanza Kibble es una mejora de la balanza de corriente , son un instrumento electromecánico donde se calcula la masa a través de la energía eléctrica :

U_{1}I_{2}=mgv_{1},

donde es el producto de la corriente eléctrica durante el balance de masa y el voltaje durante la calibración, es el producto de la aceleración gravitacional y la velocidad de la bobina durante la calibración del balance. Si se mide de forma independiente con alta precisión (los aspectos prácticos del experimento también requieren una medición de frecuencia de alta precisión [9] ), la ecuación anterior esencialmente define el kilogramo como una función de la magnitud del vatio (o viceversa). Los subíndices y y se introducen para mostrar que se trata de potencia virtual (las medidas de tensión y corriente se toman en momentos diferentes), evitando los efectos de pérdidas (que podrían ser causadas, por ejemplo, por corrientes de Foucault inducidas ) [10] . $U_{1}I_{2}$ $yo_{2}$ $tu_{1}$ ${\ Displaystyle gv_ {1}}$ $gramo$ $v_{1}$ ${\ Displaystyle gv_ {1}}$ $tu_{1}$ $yo_{2}$

La relación entre el vatio y la constante de Planck utiliza el efecto Josephson y el efecto Hall cuántico [9] [11] :

pues , donde esta la resistencia electrica , ;

I_{2}={\frac{U_{2}}{R}}

R

U_{1}I_{2}={\frac{U_{1}U_{2}}{R}}

Efecto Josephson: ;

U(n)=nf\left({\frac {h}{2e))\right)

efecto Hall cuántico: ,

R(i)={\frac {1}{i}}\left({\frac {h}{e^{2}}}\right)

donde y son números enteros (el primero está relacionado con el paso de Shapiro , el segundo es el factor de llenado de la meseta del efecto Hall cuántico), es la frecuencia del efecto Josephson, es la carga del electrón . Después de sustituir las expresiones por y en la fórmula de potencia y combinar todos los coeficientes enteros en una constante , la masa se relaciona linealmente con la constante de Planck: $norte$ $i$ $F$ $mi$ $tu$ $R$ $C$

{\displaystyle m=Cf_{1}f_{2}{\frac {h}{gv_{1))))

Dado que todas las demás cantidades en esta ecuación se pueden determinar independientemente de la masa, podría tomarse como la definición de la unidad de masa después de fijar el valor 6.62607015×10 −34 J s para la constante de Planck. [12]

Etimología y uso

La palabra "kilogramo" proviene de la palabra francesa " kgme ", que a su vez se formó a partir de las palabras griegas " χίλιοι " ( chilioi ), que significa "mil", y " γράμμα " ( gramo ), que significa "pequeño peso". [13] . La palabra « kilogramo » se fijó en francés en 1795 [14] . La ortografía francesa de la palabra pasó a Gran Bretaña, donde se usó por primera vez en 1797 [15] , mientras que en los EE. UU. la palabra se usó en la forma " kilogramo ", y luego se hizo popular en Gran Bretaña [16] [C 1 ] y pesos ( Eng. Weights and Measures Act ) en el Reino Unido no prohíbe el uso de ambas grafías [17] .

En el siglo XIX, la abreviatura francesa " kilo " se adoptó en inglés, donde se usaba para referirse tanto a kilogramos [18] como a kilómetros [19] .

Historia

La idea de usar un volumen dado de agua para determinar la unidad de masa fue propuesta por el filósofo inglés John Wilkins en su ensayo de 1668 como una forma de relacionar masa y longitud [20] [21] .

El 7 de abril de 1795, el gramo fue adoptado en Francia como "el peso absoluto de un volumen de agua pura igual a un cubo [con un lado] de una centésima de metro, y a la temperatura de fusión del hielo" [22] [23] . Al mismo tiempo, se encomendó el trabajo con la precisión necesaria para determinar la masa de un decímetro cúbico (litro) de agua [K 2] [22] .

Dado que el comercio y el comercio generalmente se ocupan de objetos cuya masa es mucho mayor que un gramo, y dado que un estándar de masa hecho de agua sería inconveniente de manejar y conservar, se prescribió encontrar una manera de poner en práctica tal definición. En este sentido, se hizo un estándar de masa temporal en forma de un objeto de metal mil veces más pesado que un gramo: 1 kg.

El químico francés Louis Lefèvre -Gineau y el naturalista italiano Giovanni Fabbroni , tras varios años de investigación, decidieron redefinir el punto más estable del agua: la temperatura a la que el agua tiene mayor densidad, la cual se determinó en 4 °C [K 3 ] [24] . Decidieron que 1 dm³ de agua en su máxima densidad equivale al 99,9265% de la masa del kilogramo patrón temporal elaborado hace cuatro años [K 4] . Curiosamente, la masa de 1 m³ de agua destilada a 4 °C y presión atmosférica, tomada exactamente como 1000 kilogramos en la definición histórica de 1799, según la definición moderna, es también aproximadamente 1000,0 kilogramos [25] .

El estandarte provisional estaba hecho de latón y desarrollaría gradualmente una pátina , lo cual no era deseable ya que su masa no se iba a cambiar. En 1799, bajo la dirección de Lefevre-Genault y Fabbroni, se fabricó un patrón permanente del kilogramo de platino poroso , que es químicamente inerte. A partir de ese momento, la masa del patrón se convirtió en la principal definición del kilogramo. Ahora bien, este estándar se conoce como kilogram des Archives (del francés - "kilogramo de archivo") [25] .

Durante el siglo XIX, las tecnologías de medición de masas avanzaron significativamente. En este sentido, y anticipándose a la creación de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en 1875 , una comisión internacional especial planeó una transición a un nuevo estándar de kilogramos. Este patrón, llamado el "prototipo internacional del kilogramo", estaba hecho de una aleación de platino-iridio (más resistente que el platino puro) en forma de cilindro de 39 mm de alto y diámetro [26] , y desde entonces se ha mantenido por la Oficina Internacional de Pesos y Medidas. En 1889, se adoptó la definición internacional del kilogramo como la masa del prototipo internacional del kilogramo [25] ; esta definición era válida hasta 2019.

También se hicieron copias del prototipo internacional del kilogramo: seis (actualmente) copias oficiales; varios estándares de trabajo utilizados, en particular, para rastrear el cambio en las masas del prototipo y las copias oficiales; y estándares nacionales calibrados contra estándares de trabajo [25] . Se transfirieron dos copias del estándar internacional a Rusia [26] , se almacenan en el Instituto de Investigación de Metrología de toda Rusia. Mendeleiev .

Durante el tiempo transcurrido desde la producción de la norma internacional, se ha comparado varias veces con copias oficiales. Las mediciones mostraron un aumento en la masa de copias en relación con el estándar en un promedio de 50 µg cada 100 años [27] [28] . Aunque el cambio absoluto en la masa del patrón internacional no puede determinarse usando los métodos de medición existentes, ciertamente debe ocurrir [27] . Para estimar la magnitud del cambio absoluto en la masa del prototipo internacional del kilogramo, fue necesario construir modelos que tengan en cuenta los resultados de las comparaciones de las masas del propio prototipo, sus copias oficiales y estándares de trabajo (a nivel mismo tiempo, aunque los estándares que participaron en la comparación generalmente fueron prelavados y limpiados, pero no siempre), lo que complicó aún más la falta de una comprensión completa de las causas de los cambios masivos. Esto llevó a comprender la necesidad de alejarse de la definición del kilogramo basada en objetos materiales [25] .

En 2011, la XXIV Conferencia General de Pesos y Medidas adoptó una Resolución proponiendo en una futura revisión del Sistema Internacional de Unidades (SI) continuar redefiniendo las unidades base para que no se basen en artefactos hechos por el hombre, sino en elementos físicos fundamentales. constantes o propiedades de los átomos [29] . En particular, se propuso que “el kilogramo seguirá siendo una unidad de masa, pero su valor se establecerá fijando el valor numérico de la constante de Planck exactamente igual a 6.626 06X⋅10 −34 cuando se expresa en la unidad SI m 2 kg s −1 , que es igual a J With". La Resolución señala que inmediatamente después de la supuesta redefinición del kilogramo, la masa de su prototipo internacional será igual a 1 kg , pero este valor adquirirá un error y será posteriormente determinado experimentalmente. Esta definición del kilogramo se hizo posible gracias al progreso de la física en el siglo XX.

En 2014 se realizó una extraordinaria comparación entre las masas del prototipo internacional del kilogramo, sus ejemplares oficiales y estándares de trabajo; los resultados de esta comparación se basan en los valores recomendados de las constantes fundamentales CODATA de 2014 y 2017, en los que se basa la nueva definición del kilogramo.

También se consideró una definición alternativa del kilogramo basada en el trabajo del Proyecto Avogadro . El equipo del proyecto, tras crear una bola a partir de un cristal de silicio monoisotópico 28 Si que pesa 1 kg y calcular el número de átomos que contiene, propone describir un kilogramo como un cierto número de átomos de un isótopo de silicio determinado [30] . Sin embargo, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas no utilizó esta versión de la definición del kilogramo [29] [31] .

La XXVI Conferencia General de Pesos y Medidas en noviembre de 2018 aprobó [2] una nueva definición del kilogramo, basada en fijar el valor numérico de la constante de Planck . La decisión entró en vigor el Día Mundial de la Metrología el 20 de mayo de 2019.

En la práctica, pesar en una balanza Kibble es un experimento extremadamente complejo y, por lo tanto, la Conferencia General sobre Pesos y Medidas en 2011 recomendó la creación de un conjunto de patrones secundarios en forma de pesas conocidas, incluidos los patrones de platino-iridio existentes y nuevos bolas de silicio que se utilizarán para distribuir el estándar en todo el mundo [9] .

Múltiplos y submúltiplos

Por razones históricas, el nombre "kilogramo" ya contiene el prefijo decimal "kilo", por lo que los múltiplos y submúltiplos se forman agregando los prefijos SI estándar al nombre o designación de la unidad "gramo" (que en el sistema SI es en sí mismo un submúltiplo: 1 g = 10 −3 kg).

En lugar de un megagramo (1000 kg), por regla general, se utiliza la unidad de medida " tonelada ".

En las definiciones de la potencia de las bombas atómicas en equivalente TNT , se utiliza el kilotón en lugar del gigagramo, y el megatón en lugar del teragramo.

múltiplos				Dolnye
magnitud	título	designacion		magnitud	título	designacion
10 1 gramo	decagramo	doug	trozo de cuero	10 −1 gramo	DG	DG	DG
10 2 gramos	hectogramo	g	hg	10 −2 gramos	centigramo	sg	c.g.
10 3 gramos	kilogramo	kg	kg	10 −3 gramos	miligramo	miligramos	miligramos
10 6 gramos	megagramo	magnesio	miligramos	10 −6 gramos	microgramo	microgramos	µg
10 9g _	gigagramo	gg	g	10 −9 gramos	nanogramo	ng	ng
10 12 gramos	teragramo	Tg	Tg	10 −12 gramos	picogramos	pág.	pág.
10 15 gramos	petagrama	pag	pag	10 −15 gramos	femtogramo	fg	fg
10 18g _	exagrama	P.ej	P.ej	10 −18 gramos	atograma	Ag	Ag
10 21g _	zettagrama	Zg	Zg	10 −21 gramos	zeptograma	zg	zg
10 24g _	yottagrama	Yo G	Yg	10 −24 gramos	ioctograma	yo G	yg
recomendado para su uso no se recomienda la aplicación no se usa o rara vez se usa en la práctica

Copias

No. 12, 26 - URSS [32] (Rusia)

Nº 20 - EE. UU. [32]

Véase también

Notas

Comentarios

↑ El kilogramo ortográfico es la forma moderna utilizada por la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), la Oficina Nacional de Medición del Reino Unido , el Consejo Nacional de Investigación de Canadá y el Instituto Nacional de Medición . Instituto de Medición , Australia.
↑ La misma directiva definió el litro como "una unidad de volumen tanto para líquidos como para sólidos, que es igual al volumen de un cubo [con un lado] de una décima de metro". Texto original: " Liter , la mesure de capacité, tant pour les liquides que pour les matières sèches, dont la contenance sera celle du cube de la dixièrne partie du mètre. »
↑ Las mediciones modernas muestran que la temperatura a la que el agua tiene la mayor densidad es 3,984 °C. Sin embargo, los científicos de finales del siglo XVIII utilizaron un valor de 4 °C.
↑ Se hizo un estándar provisional del kilogramo de acuerdo con la única medida inexacta de la densidad del agua realizada anteriormente por Antoine Lavoisier y René Just Gahuy , que mostró que un decímetro cúbico de agua destilada a 0 °C tiene una masa de 18 841 granos. según el sistema francés de medidas ( ing. Unidades de medida en Francia ), que pronto desaparecería. Una medición más nueva y precisa de Lefèvre-Ginot y Fabbroni mostró que la masa de un decímetro cúbico de agua a 4 °C es de 18.827,15 granos.

Fuentes

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Literatura

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Enlaces

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diccionarios y enciclopedias	Gran danés Gran catalán gran chino gran noruego gran ruso italiano Britannica (en línea)
En catálogos bibliográficos	TIERRA : 4163779-3 J9U : 987007556931505171 LCCN : sh2007003156

Unidades SI
Unidades básicas	amperio candela Kelvin kilogramo metro Topo segundo
Unidades derivadas con nombres especiales	becquerel vatio Weber voltio Enrique hercios grado Celsius gris joule sievert arrollado colgante lujo lumen newton ohm pascal radián Siemens estereorradián tesla faradio
Aceptado para su uso con SI	angstrom unidad astronómica hectárea grado de arco minuto de arco segundo de arco dalton (unidad de masa atómica) blanco litro neper día hora minuto tonelada electrón-voltio
ver también	prefijos SI Conversión de unidades Historia del sistema métrico Convención métrica 1875 Definiciones 2005–2019 Redefinición 2019