Kilogramo

El kilogramo (también kilogramo) es la unidad de masa en el Sistema Internacional de Unidades (SI), con el símbolo de unidad kg. Es una medida ampliamente utilizada en la ciencia, la ingeniería y el comercio en todo el mundo, y a menudo se le llama coloquialmente simplemente kilo. Significa "mil gramos".

El kilogramo se define en términos del segundo y el metro, los cuales se basan en constantes físicas fundamentales. Esto permite que un laboratorio de metrología debidamente equipado calibre un instrumento de medición de masa, como una balanza Kibble, como estándar principal para determinar una masa exacta en kilogramos.

El kilogramo se definió originalmente en 1795 como la masa de un litro de agua. La definición actual de un kilogramo está de acuerdo con esta definición original dentro de 30 partes por millón. En 1799, el Kilogramme des Archives de platino lo reemplazó como patrón de masa. En 1889, un cilindro de platino-iridio, el Prototipo Internacional del Kilogramo (IPK), se convirtió en el estándar de la unidad de masa para el sistema métrico y permaneció así durante 130 años, antes de que se adoptara el estándar actual en 2019.

Definición

El kilogramo se define en términos de tres constantes físicas fundamentales:

• una frecuencia de transición atómica específica ΔνCs, que define la duración del segundo,
• la velocidad de la luz c, que cuando se combina con el segundo, define la longitud del metro,
• y la constante del Planck h. que cuando se combina con el metro y segundo, define la masa del kilogramo.

La definición formal según la Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) es:

El kilogramo, símbolo kg, es la unidad SI de masa. Se define tomando el valor numérico fijo de la constante Planck h para ser 6.62607015×10⁻³⁴⁻ cuando se expresa en la unidad J⋅s, que es igual a kg⋅m²⋅s⁻¹, donde el metro y el segundo se definen en términos de c y Δ._Cs.

—CGPM

Definido en términos de esas unidades, el kg se formula como:

kg = ()299792458)²/()6.62607015×10⁻³⁴⁻)9192631770)hΔ._Cs/c² = 917097121160018/6215410507259047510⁴²hΔ._Cs/c². ()1.475521399735270×10⁴⁰)hΔ._Cs/c².

Esta definición generalmente es consistente con definiciones anteriores: la masa permanece dentro de las 30 ppm de la masa de un litro de agua.

Cronología de definiciones anteriores

El Prototipo Internacional del Kilograma, cuya masa se definió como un kilogramo de 1889 a 2019.

• 1793: La tumba (el precursor del kilogramo) se define como la masa de 1 litro (dm³) del agua, que se determinó que eran 18841 granos.
• 1795: el gramo (¹/₁₀₀₀ de un kilogramo) fue definido provisionalmente como la masa de un centímetro cúbico de agua en el punto de fusión del hielo.
• 1799: El Kilogramme des Archives fue fabricado como prototipo. Tenía una masa igual a la masa de 1 dm³ de agua a la temperatura de su densidad máxima, que es aproximadamente 4 °C.
• 1875-1889: El Convenio de Metre fue firmado en 1875, lo que llevó a la producción del Prototipo Internacional del Kilograma (IPK) en 1879 y su adopción en 1889.
• 2019: El kilogramo se definió en términos de la constante Planck, la velocidad de la frecuencia de transición ligera e hiperfinada de 133Cs aprobada por la Conferencia General sobre Pesos y Medidas (CGPM) el 16 de noviembre de 2018.

Nombre y terminología

El kilogramo es la única unidad SI básica con un prefijo SI (kilo) como parte de su nombre. La palabra kilogramo o kilogramo se deriva del francés kilogramo, que en sí mismo era una acuñación aprendida, anteponiendo la raíz griega de χίλιοι khilioi "mil" to gramma, un término en latín tardío para "un peso pequeño", a su vez del griego γράμμα. La palabra kilogramo se incorporó a la ley francesa en 1795, en el Decreto de 18 Germinal, que revisó el sistema provisional de unidades introducido por la Convención Nacional Francesa dos años antes, donde se había definido el gravet como peso (poids) de un centímetro cúbico de agua, igual a 1/1000 de un grave. En el decreto de 1795, el término gramo reemplazó así a gravet, y kilogramo reemplazó a tumba.

La ortografía francesa se adoptó en Gran Bretaña cuando la palabra se usó por primera vez en inglés en 1795, y la ortografía kilogramo se adoptó en los Estados Unidos. En el Reino Unido se utilizan ambas grafías, con "kilogram" habiéndose convertido, con mucho, en el más común. La ley del Reino Unido que regula las unidades que se utilizarán cuando se comercie por peso o medida no impide el uso de cualquiera de las grafías.

En el siglo XIX, la palabra francesa kilo, una forma abreviada de kilogramme, se importó al idioma inglés, donde se ha utilizado para significar tanto kilogramo como kilómetro. Si bien kilo como alternativa es aceptable, para The Economist por ejemplo, el sistema Termium Plus del gobierno canadiense establece que "SI (Sistema Internacional de Unidades) uso, seguido en escritos científicos y técnicos" no permite su uso y se describe como "un nombre informal común" sobre el Diccionario de unidades de medida de Russ Rowlett. Cuando el Congreso de los Estados Unidos otorgó estatus legal al sistema métrico en 1866, permitió el uso de la palabra kilo como alternativa a la palabra kilogramo, pero en 1990 revocó el estatus de la palabra kilo.

El sistema SI se introdujo en 1960 y en 1970 el BIPM comenzó a publicar el Folleto SI, que contiene todas las decisiones y recomendaciones relevantes de la CGPM con respecto a las unidades. El folleto SI establece que "no está permitido usar abreviaturas para los símbolos o nombres de las unidades...".

El kilogramo se convierte en una unidad básica: el papel de las unidades para el electromagnetismo

Es principalmente debido a las unidades de electromagnetismo que finalmente se adoptó el kilogramo en lugar del gramo como unidad básica de masa en el SI. La serie relevante de discusiones y decisiones comenzó aproximadamente en la década de 1850 y concluyó efectivamente en 1946. A fines del siglo XIX, las 'unidades prácticas' para cantidades eléctricas y magnéticas como el amperio y el voltio estaban bien establecidas en el uso práctico (por ejemplo, para la telegrafía). Desafortunadamente, no eran coherentes con las unidades básicas de longitud y masa, el centímetro y el gramo que prevalecían en ese momento. Sin embargo, las 'unidades prácticas' también incluía algunas unidades puramente mecánicas. En particular, el producto del amperio y el voltio da una unidad de potencia puramente mecánica, el vatio. Se notó que las unidades prácticas puramente mecánicas como el watt serían coherentes en un sistema en el que la unidad base de longitud fuera el metro y la unidad base de masa el kilogramo. Debido a que nadie quería reemplazar el segundo como unidad base de tiempo, el metro y el kilogramo son el único par de unidades base de longitud y masa tales que (1) el vatio es una unidad coherente de potencia, (2) las unidades básicas de longitud y tiempo son proporciones de potencia de diez enteras al metro y al gramo (de modo que el sistema sigue siendo 'métrico'), y (3) los tamaños de las unidades base de longitud y masa son convenientes para uso práctico. Esto aún dejaría fuera las unidades puramente eléctricas y magnéticas: mientras que las unidades prácticas puramente mecánicas, como el vatio, son coherentes en el sistema metro-kilogramo-segundo, las unidades explícitamente eléctricas y magnéticas, como el voltio, el amperio, etc. no. La única forma de hacer coherentes también esas unidades con el sistema metro-kilogramo-segundo es modificar ese sistema de una manera diferente: el número de dimensiones fundamentales debe aumentarse de tres (longitud, masa y tiempo) a cuatro (los tres anteriores, más uno puramente eléctrico).

El estado de las unidades de electromagnetismo a finales del siglo XIX

Durante la segunda mitad del siglo XIX, el sistema de unidades centímetro-gramo-segundo se estaba volviendo ampliamente aceptado para el trabajo científico, tratando el gramo como la unidad fundamental de masa y el kilogramo como una múltiplo decimal de la unidad base formada mediante el uso de un prefijo métrico. Sin embargo, a medida que el siglo llegaba a su fin, hubo un descontento generalizado con las unidades de electricidad y magnetismo en el sistema CGS. Había dos opciones obvias para las unidades absolutas de electromagnetismo: el sistema 'electrostático' (CGS-ESU) y el sistema 'electromagnético' (CGS-EMU). Pero los tamaños de las unidades eléctricas y magnéticas coherentes no eran convenientes en ninguno de estos sistemas; por ejemplo, la unidad ESU de resistencia eléctrica, que más tarde se denominó statohm, corresponde a aproximadamente 9×10¹¹ ohm, mientras que la unidad EMU, que más tarde se denominó abohm, corresponde a 10⁻⁹ ohm.

Para sortear esta dificultad, se introdujo un tercer conjunto de unidades: las denominadas unidades prácticas. Las unidades prácticas se obtuvieron como múltiplos decimales de unidades coherentes CGS-EMU, escogidas de manera que las magnitudes resultantes fueran convenientes para el uso práctico y para que las unidades prácticas fueran, en la medida de lo posible, coherentes entre sí. Las unidades prácticas incluían unidades como el voltio, el amperio, el ohmio, etc., que luego se incorporaron al sistema SI y que se usan hasta el día de hoy. La razón por la que el metro y el kilogramo se eligieron más tarde como las unidades básicas de longitud y masa fue que son la única combinación de múltiplos o submúltiplos decimales de tamaño razonable del metro y el gramo que se puede hacer coherente con el voltio, el amperio, etc.

La razón es que las cantidades eléctricas no se pueden aislar de las mecánicas y térmicas: están conectadas por relaciones tales como corriente × diferencia de potencial eléctrico = potencia. Por esta razón, el sistema práctico también incluía unidades coherentes para ciertas cantidades mecánicas. Por ejemplo, la ecuación anterior implica que el amperio × voltio es una unidad de potencia práctica derivada coherente; esta unidad se denominó vatio. La unidad coherente de energía es entonces el vatio por segundo, que se denominó julio. El julio y el vatio también tienen magnitudes convenientes y son múltiplos decimales de unidades coherentes CGS para energía (el ergio) y potencia (el ergio por segundo). El vatio no es coherente en el sistema centímetro-gramo-segundo, pero es coherente en el sistema metro-kilogramo-segundo, y en ningún otro sistema cuyas unidades básicas de longitud y masa tengan un tamaño decimal razonable. múltiplos o submúltiplos del metro y del gramo.

Sin embargo, a diferencia del vatio y el julio, las unidades explícitamente eléctricas y magnéticas (el voltio, el amperio...) no son coherentes ni siquiera en el sistema (tridimensional absoluto) metro-kilogramo-segundo. De hecho, uno puede averiguar cuáles deben ser las unidades básicas de longitud y masa para que todas las unidades prácticas sean coherentes (el vatio y el julio, así como el voltio, el amperio, etc..). Los valores son 10⁷ metros (la mitad de un meridiano del Tierra, llamado cuadrante) y 10⁻¹¹ gramos (llamado undécimo gramo).

Por lo tanto, el sistema absoluto completo de unidades en el que las unidades eléctricas prácticas son coherentes es el sistema de cuadrante-undécimo-gramo-segundo (QES). Sin embargo, las magnitudes extremadamente inconvenientes de las unidades base de longitud y masa hicieron que nadie considerara seriamente la adopción del sistema QES. Por lo tanto, las personas que trabajaban en aplicaciones prácticas de electricidad tenían que usar unidades para cantidades eléctricas y para energía y potencia que no eran coherentes con las unidades que estaban usando, p. longitud, masa y fuerza.

Mientras tanto, los científicos desarrollaron otro sistema absoluto completamente coherente, que se denominó sistema gaussiano, en el que las unidades para cantidades puramente eléctricas se toman de CGE-ESU, mientras que las unidades para cantidades magnéticas se toman de CGS- EMÚ. Este sistema demostró ser muy conveniente para el trabajo científico y todavía se usa ampliamente. Sin embargo, los tamaños de sus unidades seguían siendo demasiado grandes o demasiado pequeños, en muchos órdenes de magnitud, para aplicaciones prácticas.

Finalmente, tanto en CGS-ESU como en CGS-EMU, así como en el sistema gaussiano, las ecuaciones de Maxwell están 'no racionalizadas', lo que significa que contienen varios factores de 4π que muchos trabajadores encontraron incómodo. Así que se desarrolló otro sistema para rectificar eso: el sistema 'racionalizado' Sistema gaussiano, generalmente llamado sistema Heaviside-Lorentz. Este sistema todavía se usa en algunos subcampos de la física. Sin embargo, las unidades en ese sistema están relacionadas con las unidades gaussianas por factores de √4π ≈ 3.5 , lo que significa que sus magnitudes permanecieron, como las de las unidades gaussianas, demasiado grandes o demasiado pequeñas para aplicaciones prácticas.

La propuesta Giorgi

En 1901, Giovanni Giorgi propuso un nuevo sistema de unidades que pondría remedio a esta situación. Señaló que las unidades mecánicas prácticas como el joule y el watt son coherentes no solo en el sistema QES, sino también en el sistema metro-kilogramo-segundo (MKS). Por supuesto, se sabía que adoptar el metro y el kilogramo como unidades base, obteniendo el sistema MKS tridimensional, no resolvería el problema: mientras que el vatio y el julio serían coherentes, no lo sería para el voltio, el amperio., el ohm, y el resto de unidades prácticas de magnitudes eléctricas y magnéticas (el único sistema absoluto tridimensional en el que todas las unidades prácticas son coherentes es el sistema QES).

Pero Giorgi señaló que el voltio y el resto podrían hacer coherentes si se abandona la idea de que todas las cantidades físicas deben expresarse en términos de dimensiones de longitud, masa y tiempo y se Se agrega cuarta dimensión base para cantidades eléctricas. Cualquier unidad eléctrica práctica podría elegirse como la nueva unidad fundamental, independientemente del metro, el kilogramo y el segundo. Los candidatos probables para la cuarta unidad independiente incluían el culombio, el amperio, el voltio y el ohmio, pero finalmente, el amperio demostró ser el más conveniente para la metrología. Además, la libertad obtenida al independizar una unidad eléctrica de las unidades mecánicas podría usarse para racionalizar las ecuaciones de Maxwell.

La idea de que uno debe renunciar a tener un 'absoluto' (es decir, uno en el que solo la longitud, la masa y el tiempo son las dimensiones base) fue una desviación de un punto de vista que parecía ser la base de los primeros avances de Gauss y Weber (especialmente sus famosas "medidas absolutas" de la Tierra). 39; campo magnético), y la comunidad científica tardó un tiempo en aceptarlo, sobre todo porque muchos científicos se aferraron a la noción de que las dimensiones de una cantidad en términos de longitud, masa y tiempo especifican de alguna manera su 'naturaleza física fundamental'.^{:24, 26}

Aceptación del sistema Giorgi, dando lugar al sistema MKSA y al SI

En la década de 1920, el análisis dimensional se había entendido mucho mejor y se aceptaba ampliamente que la elección tanto del número como de las identidades del "fundamental" las dimensiones deben ser dictadas solo por conveniencia y que no hay nada realmente fundamental sobre las dimensiones de una cantidad. En 1935, la propuesta de Giorgi fue adoptada por IEC como el sistema Giorgi. Es este sistema el que desde entonces se denomina sistema MKS, aunque 'MKSA' aparece en un uso cuidadoso. En 1946, el CIPM aprobó una propuesta para adoptar el amperio como unidad electromagnética del "sistema MKSA". En 1948, la CGPM encargó al CIPM "hacer recomendaciones para un único sistema práctico de unidades de medida, adecuado para su adopción por todos los países adheridos a la Convención del Metro". Esto condujo al lanzamiento de SI en 1960.

Para resumir, la razón fundamental por la que se eligió el kilogramo en lugar del gramo como unidad básica de masa fue, en una palabra, el voltio-amperio. Es decir, la combinación del metro y el kilogramo era la única elección de unidades básicas de longitud y masa tales que 1. el voltio-amperio, que también se denomina vatio y que es la unidad de potencia en el sistema práctico de unidades eléctricas — es coherente, 2. las unidades básicas de longitud y masa son múltiplos o submúltiplos decimales del metro y el gramo, y 3. las unidades básicas de longitud y masa tienen tamaños convenientes.

Los sistemas CGS y MKS coexistieron durante gran parte de principios y mediados del siglo XX, pero como resultado de la decisión de adoptar el "sistema Giorgi" como sistema internacional de unidades en 1960, el kilogramo es ahora la unidad base del SI para la masa, mientras que se deriva la definición del gramo.

Redefinición basada en constantes fundamentales

El sistema SI después de la redefinición 2019: el kilogramo ahora se fija en términos del segundo, la velocidad de la luz y la constante Planck; además el amperio ya no depende del kilogramo

Un equilibrio Kibble, que se utilizó originalmente para medir la constante Planck en términos de IPK, ahora se puede utilizar para calibrar pesos estándar secundarios para uso práctico.

La sustitución del Prototipo Internacional del Kilogramo (IPK) como estándar principal estuvo motivada por la evidencia acumulada durante un largo período de tiempo de que la masa del IPK y sus réplicas había ido cambiando; el IPK se había desviado de sus réplicas en aproximadamente 50 microgramos desde su fabricación a fines del siglo XIX. Esto condujo a varios esfuerzos competitivos para desarrollar una tecnología de medición lo suficientemente precisa como para justificar la sustitución del artefacto del kilogramo por una definición basada directamente en constantes físicas fundamentales. Las masas estándar físicas, como la IPK y sus réplicas, todavía sirven como estándares secundarios.

El Comité Internacional de Pesos y Medidas (CIPM) aprobó una redefinición de las unidades básicas del SI en noviembre de 2018 que define el kilogramo al definir la constante de Planck para que sea exactamente 6,62607015 ×10⁻³⁴ kg⋅m²⋅s⁻¹, definiendo efectivamente el kilogramo en términos del segundo y el metro. La nueva definición entró en vigencia el 20 de mayo de 2019.

Antes de la redefinición, el kilogramo y varias otras unidades SI basadas en el kilogramo fueron definidas por un artefacto de metal hecho por el hombre: el Kilogramme des Archives de 1799 a 1889, y el IPK de 1889 a 2019.

En 1960, el metro, que anteriormente se había definido de manera similar con referencia a una sola barra de platino-iridio con dos marcas, se redefinió en términos de una constante física invariable (la longitud de onda de una emisión particular de luz emitida por criptón, y luego la velocidad de la luz) para que el patrón pueda ser reproducido independientemente en diferentes laboratorios siguiendo una especificación escrita.

En la 94.ª Reunión del Comité Internacional de Pesos y Medidas (CIPM) en 2005, se recomendó que se hiciera lo mismo con el kilogramo.

En octubre de 2010, el CIPM votó para presentar una resolución para su consideración en la Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM), para "tomar nota de una intención" que el kilogramo se defina en términos de la constante de Planck, h (que tiene dimensiones de energía por tiempo, por lo tanto, masa × longitud²/tiempo) junto con otras constantes físicas. Esta resolución fue aceptada por la 24.ª conferencia de la CGPM en octubre de 2011 y discutida más a fondo en la 25.ª conferencia en 2014. Aunque el Comité reconoció que se había logrado un progreso significativo, concluyó que los datos aún no parecían lo suficientemente sólidos para adoptar la versión revisada. definición, y que el trabajo debe continuar para permitir la adopción en la 26ª reunión, programada para 2018. En teoría, tal definición permitiría utilizar cualquier aparato que fuera capaz de delinear el kilogramo en términos de la constante de Planck, siempre que poseyera suficiente precisión, exactitud y estabilidad. El equilibrio Kibble es una forma de hacer esto.

Como parte de este proyecto, se consideraron y exploraron una variedad de tecnologías y enfoques muy diferentes durante muchos años. Algunos de estos enfoques se basaron en equipos y procedimientos que permitirían la producción reproducible de nuevos prototipos de kilogramos de masa bajo demanda (aunque con un esfuerzo extraordinario) utilizando técnicas de medición y propiedades de los materiales que, en última instancia, se basan en constantes físicas o se pueden rastrear hasta ellas. Otros se basaban en dispositivos que medían la aceleración o el peso de masas de prueba de kilogramos sintonizadas a mano y que expresaban sus magnitudes en términos eléctricos a través de componentes especiales que permiten la trazabilidad de las constantes físicas. Todos los enfoques dependen de convertir una medida de peso en una masa y, por lo tanto, requieren la medición precisa de la fuerza de la gravedad en los laboratorios. Todos los enfoques habrían fijado con precisión una o más constantes de la naturaleza en un valor definido.

Múltiplos SI

Debido a que una unidad SI puede no tener varios prefijos (consulte Prefijo SI), los prefijos se agregan a gramo, en lugar de la unidad base kilogramo, que ya tiene un prefijo como parte de su nombre. Por ejemplo, una millonésima parte de un kilogramo es 1 mg (un miligramo), no 1 μkg (un microkilogramo).

• El micrograma se suele abreviar "mcg" en el etiquetado de suplementos farmacéuticos y nutricionales, para evitar confusiones, ya que el prefijo "μ" no siempre es reconocido fuera de las disciplinas técnicas. (La expresión "mcg" es también el símbolo de una unidad obsoleta de medida CGS conocida como la "millicentigrama", que es igual a 10μg.)
• En el Reino Unido, debido a que se han cometido graves errores de medicación debido a la confusión entre miligramos y microgramos cuando se han abreviado microgramos, la recomendación dada en las Directrices Escocesas de Cuidados Peligrosos es que se deben expresar dosis de menos de un miligramos en microgramos y que la palabra microgramos debe ser escrito en su totalidad, y que nunca es aceptable usar "mcg" o "μg".
• El hectograma (100 g) (italiano: ettogrammo o etto) es una unidad muy común en el comercio minorista de alimentos en Italia.
• La antigua ortografía estándar y abreviatura "deka-" y "dk" produjeron abreviaturas como "dkm" (dekametre) y "dkg" (dekagram). A partir de 2020, la abreviatura "dkg" (10 g) sigue siendo utilizada en algunas partes de Europa central para algunos alimentos como el queso y la carne.
• El nombre de la unidad megagrama rara vez se utiliza, e incluso entonces normalmente sólo en campos técnicos en contextos donde se desea una consistencia especialmente rigurosa con el estándar SI. Para la mayoría de los propósitos, el nombre tonne es usado. La tonelada y su símbolo, "t", fueron adoptados por el CIPM en 1879. Es una unidad no-SI aceptada por el BIPM para su uso con la SI. Según el BIPM, "Esta unidad se conoce a veces como 'tonel métrico' en algunos países de habla inglesa". El nombre de la unidad megatonne o megaton (Mt) se utiliza a menudo en la literatura de interés general sobre emisiones de gases de efecto invernadero y rendimientos de armas nucleares, mientras que la unidad equivalente en los documentos científicos sobre el tema es a menudo el teragrama (Tg).