[Ciencias de Joseleg]
[Física] [Mecánica]
[Unidades y medidas]
[Ejercicios resueltos]
[1-Introducción]
[2-Medición y el método
científico][3-Que son las unidades de
medición][4-Historia de la medición][5-Sistema métrico decimal][6-Viejo sistema
internacional de unidades] [7-Unidades fundamentales]
[8-Nuevo Sistema
internacional de unidades][ 9-Unidades derivadas][10-Prefijos decimales y
notación exponencial][11-Lenguaje del sistema internacional][12-El sistema imperial][13-Cifras significativas][14-Notación científica][15-Conversiones de unidades][16-Medición e incertidumbre][17-Regla de tres analítica][18-Análisis dimensional][Referencias]
El 16 de noviembre de 2018, la 26ª Conferencia General sobre Pesos y
Medidas (CGPM) votó por unanimidad a favor de la revisión de las definiciones
de las unidades base del SI, que el Comité Internacional de Pesos y Medidas
(CIPM) había propuesto anteriormente. Las nuevas definiciones entrarán en vigor
el 20 de mayo El kilogramo, el amperio, el kelvin y el mol se definirán
estableciendo valores numéricos exactos para la constante de Planck (
El sistema métrico se concibió originalmente como un sistema de medición
derivado de fenómenos invariables, “para todas
las personas, de todos los tiempos” (Esser, 2018) pero las limitaciones técnicas
requerían el uso de artefactos (el metro patrón y el kilogramo patrón) cuando
el sistema métrico se introdujo por primera vez en Francia en 1799. Aunque
diseñados para no degradarse o descomponerse, estos prototipos en realidad
perdieron cantidades minúsculas de masa con el tiempo, incluso en sus cámaras
selladas. Los cambios en la masa, y con ellos los valores proporcionados por
los artefactos, eran tan pequeños que eran imperceptibles sin el equipo más
sensible. Sin embargo, según esa misma lógica, esos instrumentos sensibles ya
no podrían proporcionar mediciones exactas, o al menos no dentro de un nivel de
tolerancia aceptable. En 1960, el metro se redefinió en términos de la longitud
de onda de la luz de una fuente específica, por lo que se puede derivar de
fenómenos naturales universales, dejando al kilogramo prototipo como el único
artefacto del que dependen las definiciones de la unidad SI. Con la
redefinición de 2019, el SI es por primera vez totalmente derivable de los
fenómenos naturales.
De esta manera los institutos encargados de crear patrones de medida como
el ICONTEC colombiano o el NIST norteamericano pueden, al menos en teoría,
crear sus propios kilogramos patrones perfectos sin el prerrequisito de mandar
a hacer una copia a Francia.
El nuevo kilogramo
La definición del kilogramo cambió fundamentalmente: la definición anterior
definió el kilogramo como la masa del prototipo internacional kilogramo, que es
un artefacto y no una constante de la naturaleza, mientras que la nueva
definición lo relaciona con la masa equivalente del Energía de un fotón dada su
frecuencia, a través de la constante de Planck. La idea detrás de esto es
simple, dado que los fotones de una frecuencia fija tienen masa fija calculable
empleando la constante de Planck, esto objetos físicos serían el nuevo IPK, con
la diferencia de que al no ser fabricados por el hombre y al tener una
naturaleza constante en el universo pueden ser empleados como un patrón
realmente universal, para todas las personas, de todos los tiempos en cualquier
lugar del universo.
La idea anterior es fácil de entender, pero aquí es donde comienza lo
complicado, la nueva definición del kilogramo viene de la siguiente manera:
El kilogramo,
símbolo
Al establecer un valor final de la constante de Planck, cuyas unidades
incluyen el kilogramo, al igual que las unidades de la velocidad de la luz
incluye el metro, el tamaño de un kilogramo es siempre estable. También puedes
pensar en esto de la siguiente manera: el kilogramo se ha anclado a la
constante de Planck, donde permanecerá para siempre, o hasta que nuestra
civilización aguante.
La redefinición del kilogramo en términos de la constante de Planck ha sido
un desafío inmenso, que ha tardado décadas en completarse. Por un lado, los
científicos tenían que ser capaces de medir la constante de Planck en un grado
extremadamente preciso. Si nuestra estimación de la velocidad de la luz tuviera
un gran margen de error, no sería un anclaje o realización física confiable
medir un metro. Lo mismo ocurre con la constante de Planck. Durante décadas,
los científicos del NIST, así como algunos otros laboratorios de todo el mundo,
han estado utilizando una máquina llamada la balanza de Kibble (a veces
denominada balanza de Watt) para medir con precisión la constante de Planck en
un grado lo suficientemente cuidadoso como para ser empleada como el nuevo
patrón de masa (Cabral, 2018;
Robinson, 2018; Schlamminger, 2018; Stock, 2018).
Al igual que los estándares de kilogramos, el balance de Kibble se aloja
bajo tierra en el NIST. Está construida sobre un piso de concreto que
literalmente puede flotar sobre los cimientos del edificio para aislar mejor su
equipo sensible de cualquier vibración del resto de la instalación. Los
científicos deben emplear redes de plástico sobre el cabello y los zapatos
porque cualquier trozo de escombros podría descalibrarla. El balance de Kibble,
llamada así por su fallecido inventor, el físico británico Bryan Kibble, hace
algo similar a una balanza mecánica de platos, pero con un giro mecánico
cuántico. Iguala la energía mecánica ejercida por la masa de un objeto con una
cantidad equivalente de energía eléctrica, evidentemente la matemática
involucrada es más compleja que el simple m1 ≥ m2.
Lo importante es que, en las super-complejas matemáticas de la balanza de
Kibble, entre todas las variables en juego, que incluyen masa, velocidad,
fuerza gravitacional, magnetismo y electricidad, se encuentra la constante de
Planck. Y usando esta máquina, los científicos pudieron resolver la constante
de Planck a niveles de precisión y exactitud útiles para un patrón de medición.
La matemática funciona porque, como Albert Einstein nos enseñó con su ecuación
más famosa E = m c2;La masa y energía son esencialmente
expresiones diferentes de la misma cosa.
Ahora podrías estar pensando: ¿qué hace el balance de Kibble ahora que está
definida la constante de Planck? Bueno, reemplaza la necesidad del IPK en
Francia o de sus copias, porque ahora se conoce la masa de un kilogramo en
términos de la constante de Planck en cualquier lugar del universo. Y esa será
una medida precisa, una forma de asegurarse de que un kilogramo sigue siendo un
kilogramo, que se puede usar para pesar objetos y determinar su masa de acuerdo
con un patrón realmente inmutable, y poéticamente inspirador, básicamente el
nuevo patrón es la luz misma y será siempre así, en cualquier tiempo, para
cualquier persona, en cualquier lugar del universo (Cabral, 2018;
Robinson, 2018; Schlamminger, 2018; Stock, 2018).
El nuevo amperio
La definición del amperio se sometió a una revisión importante: la
definición anterior, que es difícil de realizar con alta precisión en la
práctica, se reemplazó por una definición que es más intuitiva y más fácil de
realizar. Se define tomando el valor numérico fijo de la carga elemental e en 1.0602176634×10-19
A∙s, donde el
segundo se define en términos del cesio-133 (Cabral, 2018;
Robinson, 2018; Schlamminger, 2018; Stock, 2018).
El nuevo kelvin
La definición del kelvin sufrió un cambio fundamental. En lugar de usar el
punto triple del agua para fijar la escala de temperatura, la nueva definición
usa el equivalente de energía como lo indica la ecuación de Boltzmann. Se define
tomando el
valor numérico fijo de la constante de Boltzmann k, la cual a su vez es igual a la constante de los gases
ideales R dividido entre el número de Avogadro NA:
1.380649×10-23 kg∙m2/(s2∙K), en, donde el kilogramo, el
metro y el segundo se definen en términos de la constante de Planck h,
la velocidad de la luz y el cesio-133 (Cabral, 2018;
Robinson, 2018; Schlamminger, 2018; Stock, 2018).
El nuevo mol
La principal diferencia es que ya no se definirá en base al carbono 12,
sino directamente
al número de Avogadro NA = 6.022 140 76×10-23 (entidades elementales)/mol, cuando se usa el mol,
las entidades elementales deben especificarse y pueden ser átomos, moléculas,
iones, electrones, otras partículas o grupos específicos de dichas partículas (Cabral, 2018;
Robinson, 2018; Schlamminger, 2018; Stock, 2018), según el libro de oro de la
IUPAC las entidades no se especifican en la parte operativa de las fórmulas,
pues al ser variables discretas o cuantizadas se las considera adimensionales.
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