Evolución Constante del Sistema Internacional de

Unidades (SI)

INSTITUTO BOLIVIANO DE METROLOGÍA

20 de mayo DÍA MUNDIAL DE LA METROLOGÍA

PRESENTACIÓNEl Sistema Internacional de Unidades (SI) fue instaurado en 1960, a través de la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM). Desde entonces, el SI se ha actualizado periódicamente tomando en cuenta los avances en la ciencia y la tecnología.

En Bolivia la Ley Nacional de Metrología de 1978, estableció con carácter obligatorio e irrestricto el uso del Sistema Internacional de Unidades, en todo el territorio nacional.

La CGPM se reunirá en noviembre de 2018 con un objetivo central, cambiar las definiciones de cuatro Unidades de Base: el ampere, el kilogramo, el kelvin y el mol.

Las nuevas definiciones se basarán en constantes fundamentales de la naturaleza, en lugar de artefactos o experimentos teóricos irrealizables. Estos cambios no afectarán las mediciones realizadas en el día a día, pero si tendrán impacto en mediciones de la ciencia y la tecnología, que demanden los más altos niveles de exactitud.

Juan Carlos Castillo VillarroelDIRECTOR GENERAL EJECUTIVO

El presente texto pretende explicar de la forma simple, los alcances de la redefinición del Sistema Internacional de Unidades (SI), la cual será aprobada en el mes de noviembre de 2018 y entrará en vigencia el 20 de mayo de 2019, más precisamente cuando se conmemore el Día Mundial de la Metrología, en homenaje a la firma de la Convención del Metro, un 20 de mayo de 1875, cuando 18 países decidieron adoptar un sistema común para armonizar la manera de realizar las mediciones.

El texto de las siguientes páginas, está basada en la información contenida en “Moving towards the revisión of the SI”, www.bipm.org.

El Sistema Internacional de Unidades, está constituido por siete Unidades de Base y varias Unidades Derivadas. Esas siete Unidades de Base permanecerán inalterables en cuanto a su cantidad, unidad y símbolos.

En la 25ª reunión de la CGPM celebrada en noviembre de 2014, se aprobó la Resolución sobre la futura revisión del Sistema Internacional de Unidades.

En la revisión del SI todas las unidades serán definidas en términos de un conjunto de siete constantes de referencia, que se conocen como las “constantes definitorias del SI”, entre ellas la frecuencia de transición hiperfina del cesio, la velocidad de la luz en el vacío, la constante de Planck, la carga elemental (es decir, la carga en un protón), la constante de Boltzmann, la constante de Avogadro y la eficacia luminosa de una fuente monocromática especificada.

“A menudo digo que cuando puedes medir de lo que estás hablando y expresarlo en números, sabes algo al respecto; pero cuando no puedes medirlo, cuando no puedes expresarlo en números, tu conocimiento es escaso e insatisfactorio; puede ser el comienzo del conocimiento, pero apenas has avanzado en tus pensamientos hacia la etapa de la ciencia, sea cual sea el tema.”

Lord Kelvin

Esto dará como resultado una definición más simple y fundamental para todo el SI, quizás el cambio más importante es que se prescindirá de la última de las definiciones basadas en un artefacto material: el Prototipo Internacional del kilogramo.

Las Unidades de Base son las siguientes:

Los cambios en las Unidades de Base del SI, tendrán las características descritas en las siguientes páginas.

MAGNITUD NOMBRE SÍMBOLOlongitud metro mmasa kilogramo kgtiempo segundo sintensidad de corriente eléctrica ampere A

temperatura termodinámica kelvin Kcantidad de sustancia mol molintensidad luminosa candela cd Prototipo Internacional del

kilogramo Fuente: BIPM

El ampere Definición actual

ampere: es la intensidad de una corriente constante que mantenida en dos conductores paralelos, rectilíneos de longitud infinita, de sección circular despreciable, colocados a un metro de distancia entre sí, en el vacío, producirá entre ellos una fuerza igual a 2 x 10–7 newton por metro de longitud.

Definición futura

“La única base para creer en las ciencias naturales, es la idea de que sepamos o no, las leyes generales que rigen los fenómenos del universo son necesarias y constantes”

Nicolas de Condorcet

Unidad base Definición Conversión

ampere (A)

El ampere es la unidad de la corriente eléctrica del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la carga elemental e para ser 1.602 176 634 × 10-19 cuando se expresa en la unidad C, que es igual a A s, donde el segundo se define en términos de ΔνCs

1 A = e / (1.602 176 634 × 10–19)

s–1 = 6.789 686... × 108

ΔνCs e

Nota: El ampere y otras unidades eléctricas, serán totalmente coherentes con las definiciones de estas unidades. Para la gran mayoría de los usuarios de medición, no es necesario tomar ninguna medida, ya que el voltaje cambiará en aproximadamente 0,1 partes por millón y el ohm cambiará incluso menos. Los profesionales que trabajan con el más alto nivel de exactitud, puedrán necesitar ajustar los valores de sus patrones y revisar sus presupuestos de incertidumbre de medición.

El kelvin Definición actual

kelvin: es la fracción de 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

Definición futura

Unidad base Definición Conversión

Kelvin (K)

El kelvin es la unidad de temperatura termodinámica del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la constante de Boltzmann k que es 1.380 649 × 10-23 cuando se expresa en la unidad J K-1, que es igual a kg m2 s-2 K-1, donde el kilogramo, el metro y el segundo se definen en términos de h, c y ΔνCs.

1 K = (1.380 649 × 10–23/k) kg m2 s–2 =

2.266 665… ΔνCs h /k

Nota: El kelvin se redefinirá sin efecto inmediato en la práctica de medición de temperatura o en la trazabilidad de las mediciones de temperatura, para la mayoría de los usuarios pasará desapercibido. Una definición libre de restricciones materiales y tecnológicas permite el desarrollo de nuevas técnicas y más precisas para hacer que las mediciones de temperatura sean trazables al SI, especialmente en temperaturas extremas.

Nueva Representación del S.I.Fuente: SI Illustration Guidelines

www.bipm.org

“Volúmenes iguales de todos los gases, a la misma presión y temperatura, contienen el mismo número de partículas (ya sean átomos o combinaciones de átomos)”.

Amadeo Avogadro

El mol Definición actual

mol: es la cantidad de substancia que contiene tantas entidades elementales como existen átomos en 0,012 kg de carbono 12.

Definición futura

Unidad base Definición Conversión

mol (mol)

El mol, es la unidad de cantidad de sustancia del SI. Un mol contiene exactamente 6.022 140 76 x 1023 entidades elementales. Este número es el valor numérico fijo de la constante de Avogadro, NA, cuando se expresa en la unidad mol-1 y se llama número de Avogadro. La cantidad de sustancia, símbolo n, de un sistema es una medida del número de entidades elementales especificadas. Una entidad elemental puede ser un átomo, una molécula, un ion, un electrón, cualquier otra partícula o grupo específico de partículas.

1 mol = 6.022 140

76 × 1023/NA

Nota: El mol se redefinirá con respecto a un número específico de entidades y no dependerá de la unidad de masa, el kilogramo. La trazabilidad del mol aún se podrá establecer a través de todos los enfoques empleados anteriormente, que incluyen, pero no se limitan al uso de medidas de masa junto con tablas de pesos atómicos y la constante de masa molar Mu. Los pesos atómicos no se verán afectados por este cambio y Mu seguirá siendo 1 g/mol, aunque con una incertidumbre de medición tan pequeña, que la definición revisada del mol no requerirá ningún cambio en la práctica común.

El segundo Definición actual

segundo: es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición, entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de Cesio 133.

Definición futura

Unidad base Definición Conversión

segundo (s)

El segundo es la unidad de tiempo del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la frecuencia de cesio ΔνCs , la frecuencia de transición hiperfina de estado fundamental no perturbado del átomo de Cesio 133, para ser 9 192 631 770 cuando se expresa en la unidad Hz, que es igual a s-1.

1 s = 9 192 631 770 / ΔνCs

Nota: El segundo continuará definiéndose en términos de la frecuencia de transición hiperfina del átomo de cesio 133. La cadena de trazabilidad para el segundo no se verá afectada. La metrología de tiempo y frecuencia no se verá afectada.

Esfera de SilicioFuente: PTB y CENAM

“La energía disponible es el objeto principal en juego en la lucha por la existencia y la evolución del mundo “

Ludwig Boltzmann

El metro Definición actual

metro: es la longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacío en un lapso de 1/299 792 458 de segundo.

Definición futura

Unidad base Definición Conversión

metro (m)

El metro es la unidad de longitud del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la velocidad de la luz en vacío c para que sea 299 792 458 cuando se expresa en la unidad m s-1, donde el segundo se define en términos de la frecuencia de cesio ΔνCs .

1 m = (c / 299 792 458) s =

30.663 318… c / ΔνCs

Nota: El metro dentro la revisión del SI seguirá definiéndose en términos de la velocidad de la luz, una de las constantes fundamentales de la física. La práctica de la metrología dimensional no necesitará modificarse de ninguna manera y se beneficiará de la estabilidad mejorada del sistema a largo plazo.

La candela Definición actual

candela: es la intensidad luminosa en una dirección dada de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 Hertz y cuya intensidad energética en esa dirección es 1/683 watt por esterradián.

Definición futura

Unidad base Definición Conversión

candela (cd)

La candela es la unidad de intensidad luminosa en una dirección dada, del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la eficacia luminosa de la radiación monocromática de frecuencia 540 × 1012 Hz, Kcd, para ser 683 cuando se expresa en la unidad lm W-1, que es igual a cd sr W-1 o cd sr kg-1 m-2 s3, donde el kilogramo, el metro y el segundo se definen en términos de h, c y ΔνCs .

1 cd = (Kcd/683) kg m2 s–3 sr–1 = 2.614 830... ×

1010 ( ΔνCs )2 h Kcd

Nota: La candela seguirá definiéndose en términos de Kcd, una constante técnica para la fotometría y, por lo tanto, continuará vinculada al watt. La trazabilidad a la candela aún se establecerá con la misma incertidumbre de medición a través de métodos radiométricos usando detectores absolutamente calibrados.

Balanza de wattFuente: OMICRONO

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El kilogramo Definición actual

kilogramo: es la masa igual a la del prototipo internacional del kilogramo

Definición futura

Unidad base Definición Conversión

kilogramo (kg)

El kilogramo es la unidad de masa del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la constante de Planck h como 6.626 070 15 × 10-34 cuando se expresa en la unidad J s, que es igual a kg m2 s-1, donde el metro y el segundo están definidos en términos de c y ΔνCs

1 kg = (h / 6.626 070 15 × 10–34) m–2 s =

1.475 521... × 1040 h ΔνCs /c

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Nota: El kilogramo se definirá en términos de la constante de Planck, garantizando su estabilidad a largo plazo. El kilogramo se podrá realizar mediante cualquier método adecuado (por ejemplo, la balanza de Kibble (watt) o el método de Avogadro (rayos X de la densidad de cristales). Se podrá obtener la trazabilidad al SI, a partir de las mismas fuentes utilizadas en la actualidad (el BIPM, los institutos nacionales de metrología y los laboratorios acreditados). Las incertidumbres ofrecidas por los INMs a sus clientes, tampoco se verán afectadas.

“Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica: la voluntad”

Albert Einstein

De las siete Unidades de Base del SI, solo el kilogramo aún se define en términos de un artefacto material, denominado el Prototipo Internacional, que es custodiado en el Buró Internacional de Pesas y Medidas (BIPM). La principal desventaja de la definición actual del kilogramo es que se refiere a la masa de un artefacto, que por su propia naturaleza no puede ser absolutamente estable.

“El SI usará las reglas de la naturaleza para crear reglas de la medición”

El uso de las constantes de la naturaleza para definir las unidades de medida internacionales, permitirá a la comunidad científica e industrial, dimensionar con precisión sus mediciones desde las cantidades más pequeñas hasta las más grandes en varias áreas.

“Los cambios en el SI proporcionarán un trampolín para futuras innovaciones”

Los cambios marcarán un paso adelante importante e histórico. Así como la redefinición del segundo y el metro ayudaron a habilitar la navegación GPS, se espera que el SI redefinido, con el tiempo, habilite las nuevas tecnologías que aún tenemos que imaginar, mientras se mantiene la continuidad para los usuarios prácticos.

Esfera de Silicio enrriquecido isotópicamenteFuente: PTB www.ptb.de

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A partir de la redefinición, el SI será el sistema de unidades en el que: * La frecuencia de transición hiperfina del estado base no perturbado del átomo de Cesio 133 ΔνCs es 9 192 631 770 Hertz. * La velocidad de la luz en el vacío c es exactamente 299 792 458 metros por segundo * La constante de Planck h es exactamente 6.626 070 15 x 10-34 joule segundo

* La carga elemental e es exactamente 1.602 176 634 x 10-19 coulomb

* La constante de Boltzmann k es exactamente 1.380 649 x 10-23 joules por kelvin

* La constante de Avogadro NA es exactamente 6.022 140 76 x 1023 moles recíprocos

* La eficacia luminosa de la radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 Herz Kcd, es exactamente 683 lumen por watt

Actual SI Nuevo SI

Magnitud de base

Unidades de Base

Constante definitoria Símbolo

tiempo segundo frecuencia ΔνCslongitud metro velocidad C

masa kilogramo acción h

corriente eléctrica ampere carga eléctrica e

temperatura termodinámica kelvin capacidad calorífica k

cantidad de sustancia mol cantidad de sustancia NAintensidad luminosa candela intensidad luminosa Kcd

“Un experimento es una pregunta que la ciencia plantea a la Naturaleza y una medida es la grabación de la respuesta de la Naturaleza”.

Max Planck

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