Quilograma

O quilograma (também quilograma) é a unidade de massa no Sistema Internacional de Unidades (SI), tendo como símbolo de unidade kg. É uma medida amplamente utilizada na ciência, engenharia e comércio em todo o mundo, e muitas vezes é chamada simplesmente de quilo coloquialmente. Significa 'mil gramas'.

O quilograma é definido em termos do segundo e do metro, ambos baseados em constantes físicas fundamentais. Isso permite que um laboratório de metrologia adequadamente equipado calibre um instrumento de medição de massa, como uma balança Kibble, como padrão primário para determinar a massa exata do quilograma.

O quilograma foi originalmente definido em 1795 como a massa de um litro de água. A definição atual de um quilograma concorda com esta definição original dentro de 30 partes por milhão. Em 1799, a platina Kilogramme des Archives substituiu-a como padrão de massa. Em 1889, um cilindro de platina-irídio, o Protótipo Internacional do Quilograma (IPK), tornou-se o padrão da unidade de massa para o sistema métrico e assim permaneceu por 130 anos, antes que o padrão atual fosse adotado em 2019.

Definição

O quilograma é definido em termos de três constantes físicas fundamentais:

• uma frequência de transição atômica específica ΔνCs, que define a duração do segundo,
• a velocidade da luz c, que quando combinado com o segundo, define o comprimento do metro,
• e a constante Planck h. que quando combinado com o metro e segundo, define a massa do quilograma.

A definição formal de acordo com a Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) é:

O quilograma, símbolo kg, é a unidade SI de massa. É definido tomando o valor numérico fixo da constante Planck h para ser 6.62607015×10.^{- 34.} quando expresso na unidade J⋅s, que é igual a kg⋅m²⋅s^{- Sim.}, onde o metro e o segundo são definidos em termos de c e ?Processo_C.

—CGPM

Definido em termos dessas unidades, o kg é formulado como:

kg = (299792458)²/(6.62607015×10.^{- 34.})9192631770)h?Processo_C/c² = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 917097121160018/6215410507259047510.⁴²h?Processo_C/c² ? (1.475521399735270×10.⁴⁰)h?Processo_C/c².

Esta definição é geralmente consistente com as definições anteriores: a massa permanece dentro de 30 ppm da massa de um litro de água.

Linha do tempo das definições anteriores

O protótipo internacional do quilograma, cuja massa foi definida como um quilograma de 1889 a 2019.

• 1793: A sepultura (o precursor do quilograma) foi definida como a massa de 1 litro (dm³) de água, que foi determinada a ser 18841 grãos.
• 1795: o grama (¹/₁₀₀₀ de um quilograma) foi provisoriamente definida como a massa de um centímetro cúbico de água no ponto de fusão do gelo.
• 1799: O Kilogramme des Archives foi fabricado como um protótipo. Tinha uma massa igual à massa de 1 dm³ de água à temperatura de sua densidade máxima, que é aproximadamente 4 °C.
• 1875-1889: A Convenção da Metre foi assinada em 1875, levando à produção do protótipo internacional do quilograma (IPK) em 1879 e sua adoção em 1889.
• 2019: O quilograma foi definido em termos da constante Planck, a velocidade da frequência de transição leve e hiperfina de 133Cs, conforme aprovado pela Conferência Geral sobre Pesos e Medidas (CGPM) em 16 de novembro de 2018.

Nome e terminologia

O quilograma é a única unidade básica do SI com um prefixo do SI (quilo) como parte de seu nome. A palavra kilogramme ou kilogram é derivada do francês kilogramme, que em si era uma cunhagem erudita, prefixando o radical grego do χίλιοι khilioi "mil" para gramma, um termo latino tardio para "um pequeno peso", ele próprio do grego < span title="Texto em grego antigo (até 1453)">γράμμα. A palavra quilograma foi inscrita na lei francesa em 1795, no Decreto de 18 Germinal, que revisou o sistema provisório de unidades introduzido pela Convenção Nacional Francesa dois anos antes, onde o gravet havia sido definido como peso (poids) de um centímetro cúbico de água, igual a 1/1000 de um grave. No decreto de 1795, o termo gramme substituiu < i lang="fr">gravet e quilograma substituiu grave.

A grafia francesa foi adotada na Grã-Bretanha quando a palavra foi usada pela primeira vez em inglês em 1795, sendo a grafia quilograma adotada nos Estados Unidos. No Reino Unido, ambas as grafias são usadas, com "quilograma" tendo se tornado de longe o mais comum. A lei do Reino Unido que regula as unidades a serem usadas ao negociar por peso ou medida não impede o uso de qualquer grafia.

No século 19, a palavra francesa kilo, uma abreviação de kilogramme, foi importado para o idioma inglês, onde tem sido usado para significar tanto quilograma quanto quilômetro. Enquanto quilo como alternativa é aceitável, para The Economist, por exemplo, o sistema Termium Plus do governo canadense afirma que "SI (Sistema Internacional de Unidades) uso, seguido na redação científica e técnica" não permite seu uso e é descrito como "um nome informal comum" no Dicionário de Unidades de Medida de Russ Rowlett. Quando o Congresso dos Estados Unidos concedeu status legal ao sistema métrico em 1866, permitiu o uso da palavra quilo como alternativa à palavra quilograma, mas em 1990 revogou o status da palavra quilo.

O sistema SI foi introduzido em 1960 e em 1970 o BIPM começou a publicar a Brochura SI, que contém todas as decisões e recomendações relevantes da CGPM relativas às unidades. O Folheto SI afirma que "Não é permitido usar abreviaturas para símbolos de unidades ou nomes de unidades...".

O quilograma se tornando uma unidade básica: o papel das unidades para o eletromagnetismo

É principalmente por causa das unidades de eletromagnetismo que o quilograma, em vez do grama, acabou sendo adotado como a unidade básica de massa no SI. A série relevante de discussões e decisões começou aproximadamente na década de 1850 e efetivamente foi concluída em 1946. No final do século XIX, as 'unidades práticas' para grandezas elétricas e magnéticas, como o ampère e o volt, foram bem estabelecidas no uso prático (por exemplo, para telegrafia). Infelizmente, eles não formaram um sistema coerente de unidades com as unidades de base então predominantes para comprimento e massa, o centímetro e o grama. No entanto, as 'unidades práticas' também incluiu algumas unidades puramente mecânicas. Em particular, o produto do ampère pelo volt dá uma unidade puramente mecânica de potência, o watt. Percebeu-se que as unidades práticas puramente mecânicas como o watt seriam coerentes em um sistema em que a unidade básica de comprimento fosse o metro e a unidade básica de massa fosse o quilograma. Como ninguém queria substituir o segundo como unidade básica de tempo, o metro e o quilograma são o único par de unidades básicas de comprimento e massa de modo que (1) o watt é uma unidade coerente de potência, (2) as unidades básicas de comprimento e tempo são razões inteiras de potência de dez para o metro e o grama (de modo que o sistema permaneça 'métrico') e (3) os tamanhos de as unidades básicas de comprimento e massa são convenientes para uso prático. Isso ainda deixaria de fora as unidades puramente elétricas e magnéticas: enquanto as unidades práticas puramente mecânicas, como o watt, são coerentes no sistema metro-quilograma-segundo, as unidades explicitamente elétricas e magnéticas, como o volt, o ampère, etc. não. A única maneira de tornar essas unidades também coerentes com o sistema metro-quilograma-segundo é modificar esse sistema de uma maneira diferente: o número de dimensões fundamentais deve ser aumentado de três (comprimento, massa e tempo) para quatro (os três anteriores, mais um puramente elétrico).

O estado das unidades de eletromagnetismo no final do século XIX

Durante a segunda metade do século 19, o sistema de unidades centímetro-grama-segundo foi se tornando amplamente aceito para o trabalho científico, tratando o grama como a unidade fundamental de massa e o quilograma como uma múltiplo decimal da unidade base formado usando um prefixo métrico. No entanto, à medida que o século se aproximava do fim, havia uma insatisfação generalizada com as unidades de eletricidade e magnetismo no sistema CGS: elas eram tão pequenas (ou grandes) que medições realistas envolviam números muito grandes (ou pequenos). Havia duas escolhas óbvias para unidades absolutas de eletromagnetismo: o sistema “eletrostático” (CGS-ESU) e o sistema “eletromagnético” (CGS-EMU). Mas os tamanhos das unidades elétricas e magnéticas coerentes não eram convenientes em nenhum desses sistemas; por exemplo, a unidade ESU de resistência elétrica, que mais tarde foi chamada de statohm, corresponde a cerca de 9×10¹¹ ohm, enquanto a unidade EMU, que mais tarde foi chamada de abohm, corresponde para 10⁻⁹ ohm.

Para contornar esta dificuldade, foi introduzido um terceiro conjunto de unidades: as chamadas unidades práticas. As unidades práticas foram obtidas como múltiplos decimais de unidades CGS-EMU coerentes, escolhidas de forma que as magnitudes resultantes fossem convenientes para uso prático e de modo que as unidades práticas fossem, na medida do possível, coerentes umas com as outras. As unidades práticas incluíam unidades como o volt, o ampère, o ohm, etc., que foram posteriormente incorporadas ao sistema SI e que são usadas até hoje. A razão pela qual o metro e o quilograma foram posteriormente escolhidos para serem as unidades básicas de comprimento e massa foi que eles são a única combinação de múltiplos ou submúltiplos decimais de tamanho razoável do metro e do grama que podem ser coerentes com o volt, o ampère., etc

A razão é que as grandezas elétricas não podem ser isoladas das mecânicas e térmicas: elas são conectadas por relações como corrente × diferença de potencial elétrico = potência. Por esta razão, o sistema prático também incluiu unidades coerentes para certas grandezas mecânicas. Por exemplo, a equação anterior implica que ampère × volt é uma unidade prática derivada coerente de potência; esta unidade foi chamada de watt. A unidade coerente de energia é então o watt vezes o segundo, que foi chamado de joule. O joule e o watt também têm magnitudes convenientes e são múltiplos decimais de unidades coerentes CGS para energia (o erg) e potência (o erg por segundo). O watt não é coerente no sistema centímetro-grama-segundo, mas é coerente no sistema metro-quilograma-segundo - e em nenhum outro sistema cujas unidades básicas de comprimento e massa são decimais de tamanho razoável múltiplos ou submúltiplos do metro e do grama.

No entanto, ao contrário do watt e do joule, as unidades explicitamente elétricas e magnéticas (o volt, o ampère...) não são coerentes mesmo no sistema (tridimensional absoluto) metro-quilograma-segundo. De fato, pode-se descobrir quais devem ser as unidades básicas de comprimento e massa para que todas as unidades práticas sejam coerentes (o watt e o joule, bem como o volt, o ampère, etc..). Os valores são 10⁷ metros (metade de um meridiano do Terra, chamada de quadrante) e 10⁻¹¹ gramas (chamado décimo primeiro grama).

Portanto, o sistema absoluto completo de unidades em que as unidades elétricas práticas são coerentes é o sistema quadrante-décimo primeiro-grama-segundo (QES). No entanto, as magnitudes extremamente inconvenientes das unidades básicas de comprimento e massa fizeram com que ninguém considerasse seriamente a adoção do sistema QES. Assim, as pessoas que trabalham em aplicações práticas de eletricidade tiveram que usar unidades para grandezas elétricas e para energia e potência que não eram coerentes com as unidades que estavam usando, por exemplo, comprimento, massa e força.

Enquanto isso, os cientistas desenvolveram outro sistema absoluto totalmente coerente, que veio a ser chamado de sistema Gaussiano, no qual as unidades para grandezas puramente elétricas são retiradas do CGE-ESU, enquanto as unidades para grandezas magnéticas são retiradas do CGS- UEM. Este sistema provou ser muito conveniente para o trabalho científico e ainda é amplamente utilizado. No entanto, os tamanhos de suas unidades permaneceram muito grandes ou muito pequenos - em muitas ordens de grandeza - para aplicações práticas.

Finalmente, tanto no CGS-ESU quanto no CGS-EMU, bem como no sistema gaussiano, as equações de Maxwell são 'não racionalizadas', o que significa que contêm vários fatores de 4π que muitos trabalhadores acharam estranho. Portanto, outro sistema foi desenvolvido para corrigir isso: o sistema 'racionalizado' Sistema Gaussiano, geralmente chamado de sistema Heaviside-Lorentz. Este sistema ainda é usado em alguns subcampos da física. No entanto, as unidades nesse sistema estão relacionadas às unidades Gaussianas por fatores de √4π ≈ 3,5 , o que significa que suas magnitudes permaneceram, como as das unidades gaussianas, muito grandes ou muito pequenas para aplicações práticas.

A proposta de Giorgi

Em 1901, Giovanni Giorgi propôs um novo sistema de unidades que remediaria esta situação. Ele observou que as unidades mecânicas práticas, como o joule e o watt, são coerentes não apenas no sistema QES, mas também no sistema metro-quilograma-segundo (MKS). Obviamente, era sabido que adotar o metro e o quilograma como unidades básicas - obtendo o sistema tridimensional MKS - não resolveria o problema: enquanto o watt e o joule seriam coerentes, o mesmo não aconteceria com o volt, o ampère, o ohm e o resto das unidades práticas para grandezas elétricas e magnéticas (o único sistema absoluto tridimensional no qual todas as unidades práticas são coerentes é o sistema QES).

Mas Giorgi apontou que o volt e o resto poderiam ser tornados coerentes se a ideia de que todas as quantidades físicas devem ser expressas em termos de dimensões de comprimento, massa e tempo for abandonada e uma A quarta dimensão de base é adicionada para grandezas elétricas. Qualquer unidade elétrica prática poderia ser escolhida como a nova unidade fundamental, independente do metro, quilograma e segundo. Os prováveis candidatos para a quarta unidade independente incluíam o coulomb, o ampère, o volt e o ohm, mas, eventualmente, o ampère provou ser o mais conveniente para a metrologia. Além disso, a liberdade obtida ao tornar uma unidade elétrica independente das unidades mecânicas poderia ser usada para racionalizar as equações de Maxwell.

A ideia de que se deve desistir de ter uma identidade puramente 'absoluta' sistema (ou seja, um onde apenas comprimento, massa e tempo são as dimensões de base) foi um afastamento de um ponto de vista que parecia estar por trás das primeiras descobertas de Gauss e Weber (especialmente suas famosas "medidas absolutas" da Terra). 39; campo magnético), e levou algum tempo para a comunidade científica aceitá-lo - até porque muitos cientistas se apegaram à noção de que as dimensões de uma quantidade em termos de comprimento, massa e tempo de alguma forma especificam sua ';natureza física fundamental'.^{:24, 26}

Aceitação do sistema Giorgi, levando ao sistema MKSA e ao SI

Na década de 1920, a análise dimensional tornou-se muito mais bem compreendida e tornou-se amplamente aceito que a escolha do número e das identidades do "fundamental" dimensões devem ser ditadas apenas por conveniência e que não há nada realmente fundamental sobre as dimensões de uma quantidade. Em 1935, a proposta de Giorgi foi adotada pelo IEC como o sistema Giorgi. É este sistema que desde então tem sido chamado de sistema MKS, embora 'MKSA' apareça em uso cuidadoso. Em 1946, o CIPM aprovou uma proposta para adotar o ampère como a unidade eletromagnética do "sistema MKSA". Em 1948, a CGPM encarregou o CIPM "de fazer recomendações para um único sistema prático de unidades de medida, adequado para adoção por todos os países que aderiram à Convenção do Metro". Isso levou ao lançamento do SI em 1960.

Para resumir, o principal motivo pelo qual o quilograma foi escolhido em vez do grama como unidade básica de massa foi, em uma palavra, o volt-ampère. Ou seja, a combinação do metro e do quilograma era a única escolha de unidades básicas de comprimento e massa de tal forma que 1. o volt-ampère - que também é chamado de watt e que é a unidade de potência no sistema prático de unidades elétricas — é coerente, 2. as unidades básicas de comprimento e massa são múltiplos decimais ou submúltiplos do metro e do grama, e 3. as unidades básicas de comprimento e massa têm tamanhos convenientes.

Os sistemas CGS e MKS coexistiram durante grande parte do início e meados do século 20, mas como resultado da decisão de adotar o "sistema Giorgi" como o sistema internacional de unidades em 1960, o quilograma é agora a unidade de base do SI para massa, enquanto a definição do grama é derivada.

Redefinição baseada em constantes fundamentais

O sistema SI após a redefinição de 2019: o quilograma é agora fixado em termos do segundo, a velocidade da luz e a constante Planck; além disso, o ampere não depende mais do quilograma

Um equilíbrio Kibble, que foi originalmente usado para medir a constante Planck em termos do IPK, agora pode ser usado para calibrar pesos padrão secundários para uso prático.

A substituição do Protótipo Internacional do Quilograma (IPK) como padrão primário foi motivada por evidências acumuladas por um longo período de tempo de que a massa do IPK e suas réplicas vinham mudando; o IPK divergiu de suas réplicas em aproximadamente 50 microgramas desde sua fabricação no final do século XIX. Isso levou a vários esforços concorrentes para desenvolver tecnologia de medição precisa o suficiente para garantir a substituição do artefato de quilograma por uma definição baseada diretamente em constantes físicas fundamentais. Massas padrão físicas, como o IPK e suas réplicas, ainda servem como padrões secundários.

O Comitê Internacional de Pesos e Medidas (CIPM) aprovou uma redefinição das unidades básicas do SI em novembro de 2018, que define o quilograma definindo a constante de Planck como exatamente 6.62607015 ×10⁻³⁴ kg⋅m²⋅s< sup>−1, definindo efetivamente o quilograma em termos de segundo e metro. A nova definição entrou em vigor em 20 de maio de 2019.

Antes da redefinição, o quilograma e várias outras unidades do SI baseadas no quilograma eram definidas por um artefato de metal feito pelo homem: o Kilogramme des Archives de 1799 a 1889, e o IPK de 1889 para 2019.

Em 1960, o metro, anteriormente definido de forma semelhante com referência a uma única barra de platina-irídio com duas marcas, foi redefinido em termos de uma constante física invariante (o comprimento de onda de uma emissão particular de luz emitida por criptônio, e depois a velocidade da luz) para que o padrão possa ser reproduzido independentemente em diferentes laboratórios seguindo uma especificação escrita.

Na 94ª Reunião do Comitê Internacional de Pesos e Medidas (CIPM), em 2005, foi recomendado que o mesmo fosse feito com o quilograma.

Em outubro de 2010, o CIPM votou para submeter uma resolução para consideração na Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM), para "tomar nota de uma intenção" que o quilograma seja definido em termos da constante de Planck, h (que tem dimensões de energia vezes tempo, portanto massa × comprimento^{2< /sup> /time) juntamente com outras constantes físicas. Esta resolução foi aceita pela 24ª conferência da CGPM em outubro de 2011 e discutida posteriormente na 25ª conferência em 2014. Embora o Comitê reconhecesse que houve progresso significativo, eles concluíram que os dados ainda não pareciam suficientemente robustos para adotar a versão revisada definição, e esse trabalho deve continuar para permitir a adoção na 26ª reunião, prevista para 2018. Tal definição permitiria, teoricamente, que qualquer aparato capaz de delinear o quilograma em função da constante de Planck pudesse ser utilizado desde que possuísse precisão, exatidão e estabilidade. O equilíbrio Kibble é uma maneira de fazer isso.}

Como parte deste projeto, uma variedade de tecnologias e abordagens muito diferentes foram consideradas e exploradas ao longo de muitos anos. Algumas dessas abordagens foram baseadas em equipamentos e procedimentos que permitiriam a produção reprodutível de novos protótipos de massa de quilograma sob demanda (embora com esforço extraordinário) usando técnicas de medição e propriedades de materiais que são baseadas ou rastreáveis a constantes físicas. Outros eram baseados em dispositivos que mediam a aceleração ou o peso de massas de teste de quilogramas ajustadas à mão e que expressavam suas magnitudes em termos elétricos por meio de componentes especiais que permitiam a rastreabilidade a constantes físicas. Todas as abordagens dependem da conversão de uma medida de peso em massa e, portanto, requerem a medição precisa da força da gravidade em laboratórios. Todas as abordagens teriam fixado com precisão uma ou mais constantes da natureza em um valor definido.

Múltiplos SI

Como uma unidade SI pode não ter vários prefixos (consulte o prefixo SI), os prefixos são adicionados a grama, em vez da unidade base quilograma, que já possui um prefixo como parte de seu nome. Por exemplo, um milionésimo de quilograma é 1 mg (um miligrama), não 1 μkg (um microquilograma).

• O micrograma é tipicamente abreviado "mcg" na rotulagem farmacêutica e nutricional suplemento, para evitar confusão, uma vez que o prefixo "μ" nem sempre é bem reconhecido fora de disciplinas técnicas. (A expressão "mcg" é também o símbolo de uma unidade de medida CGS obsoleta conhecida como "milicentigram", que é igual a 10μg.)
• No Reino Unido, porque erros graves de medicação foram feitos da confusão entre miligramas e microgramas quando os microgramas foram abreviados, a recomendação dada nas Orientações Escocesas de Cuidados Paliativos é que as doses de menos de um miligrama devem ser expressas em microgramas e que a palavra micrograma deve ser escrito na íntegra, e que nunca é aceitável usar "mcg" ou "μg".
• O hectograma (100 g) (italiano: O que fazer? ou E tu?) é uma unidade muito comumente usada no comércio de alimentos de varejo na Itália.
• A antiga ortografia padrão e abreviação "deka-" e "dk" produziram abreviações como "dkm" (dekametre) e "dkg" (dekagram). A partir de 2020, a abreviação "dkg" (10 g) ainda é usada em partes da Europa central no varejo para alguns alimentos, como queijo e carne.
• O nome da unidade megagrama raramente é usado, e mesmo assim tipicamente apenas em campos técnicos em contextos onde a consistência especialmente rigorosa com o padrão SI é desejada. Para a maioria dos fins, o nome Tonelada é usado em vez disso. A tonelada e seu símbolo, "t", foram adotados pelo CIPM em 1879. É uma unidade não-SI aceita pelo BIPM para uso com o SI. De acordo com o BIPM, "Esta unidade é às vezes referida como " tonelada métrica" em alguns países de língua inglesa." O nome da unidade megatonagem ou megatonia (Mt) é frequentemente usado na literatura de interesse geral sobre as emissões de gases de efeito estufa e os rendimentos das armas nucleares, enquanto que a unidade equivalente em artigos científicos sobre o assunto é frequentemente o teragrama (Tg).