Nuestro futuro depende de constantes fundamentales

El SI de Unidades ha sido revisado este año, ya solamente depende de constantes universales.

Tras su revisión, el SI queda definido como el sistema de unidades en el que:

• La frecuencia de transición hiperfina de estado fundamental no perturbado del átomo de cesio-133, ΔνCs, es 9 192 631 770 Hz
• La velocidad de la luz en el vacío, c, es 299 792 458 m/s
• La constante de Planck, h, es 6,626 070 15 × 10-34 J·s
• La carga elemental, e, es 1,602 176 634 × 10-19 C
• La constante de Boltzmann, k, es 1,380 649 × 10-23 J/K
• La constante de Avogadro, NA, es 6,022 140 76 × 1023 mol-1
• La eficacia luminosa de la radiación monocromática de frecuencia 540 × 1012 Hz, Kcd, es 683 lm/W

Estas 7 constantes son las unidades de base del Sistema Internacional de Unidades. Este año se han aprobado las unidades del kilogramo, el amperio, el kelvin y el mol. Todas las medidas que se hacen día a día van a depender de ellas.

Con la frecuencia de transición del átomo de Cesio-133 se define el segundo y se ajustan todos los relojes para que lleguemos a tiempo a nuestras citas.

Con la velocidad de la luz se define el metro y así podemos medir todas las distancias que recorremos o fabricar cualquier cosa a medida.

Con la constante de Planck se define el kilogramo que es el responsable de todas nuestras transacciones económicas desde la compra de la fruta a la carga transportada por un buque.

Con la carga elemental del electrón se define el Ampere unidad de corriente eléctrica responsable de nuestra factura de la luz.

La constante de Boltzmann se utiliza para definir la temperatura responsable de los tratamientos térmicos de las piezas de un automóvil, un avión o de la cocción del pan en un obrador.

La constante de Avogadro sirve para definir el mol con el que los químicos pueden controlar las reacciones químicas.

Con la eficacia luminosa se establece la candela y se mide la luz que desempeña un papel clave en nuestras vidas, sin luz un avión no podría aterrizar de noche, no se realizaría la fotosíntesis de las plantas, no podríamos trabajar de noche, etc.

Ahora los que tienen mucho trabajo son los editores de textos de los estudiantes porque en los libros que se utilizan en los colegios y universidades sigue apareciendo que el kg es un cilindro de Platino Iridio que ha pasado a mejor vida como en su día paso con el metro.

Nuestro futuro depende de estas constantes fundamentales, con las nuevas definiciones de las unidades del Sistema Internacional no notaremos nada ni tendrá un efecto inmediato en nuestro día a día y pasarán inadvertidas, pero se sientan las bases para futuras mejoras porque son independientes de objetos físicos y permiten el desarrollo de nuevas tecnologías.

El nuevo SI

¿Que se ha cambiado en el nuevo SI?

En el SI revisado, el kilogramo, el amperio, el kelvin y el mol se redefinen en términos de valores numéricos fijos de las siguientes constantes de la naturaleza:

• La constante de Planck (h),
• La carga elemental (e),
• La constante de Boltzmann (k),
• La constante de Avogadro (N_A), respectivamente.

y heredan las incertidumbres asociadas a la determinación de dichas constantes.

En efecto, en el SI previo, las unidades básicas, sobre todo las basadas en patrones materializados, tenían asignada por definición una incertidumbre nula, mientras que las mediciones experimentales realizadas con esas unidades, entre ellas las de las constantes fundamentales, tenían una incertidumbre asociada.

Justo en el momento de la entrada en vigor del SI revisado cambia el esquema, atribuyéndose incertidumbre nula a los valores numéricos de las constantes elegidas, heredando las unidades, en ese mismo instante, las incertidumbres anteriormente atribuidas a los valores numéricos de las constantes. Andando el tiempo, en el SI revisado las unidades se mantendrán y evolucionarán de forma experimental, por lo que contarán con una incertidumbre asociada a su realización práctica. Es de suponer además que dicha incertidumbre vaya disminuyendo, a medida que la ciencia y la tecnología progresen.

En el SI revisado las nuevas definiciones del kilogramo (kg), amperio (A), kelvin (K) y mol (mol) están referenciadas, respectivamente, a las constantes h, e, k y N_A, pero todas las definiciones de las unidades, tanto las citadas como las del metro (m), segundo (s) y candela (cd), ya basadas anteriormente en los valores numéricos de las constantes c, Δν_Cs y K_cd respectivamente, varían su redacción, de manera que resultan más homogéneas entre sí, incluyendo, de forma explícita, los valores numéricos de las constantes de las que derivan.

El nuevo Sistema Internacional de Unidades

El SI de Unidades ha sido revisado este año, ya solamente depende de constantes universales.

Tras su revisión, el SI queda definido como el sistema de unidades en el que:

• La frecuencia de transición hiperfina de estado fundamental no perturbado del átomo de cesio-133, Δν_Cs, es 9 192 631 770 Hz
• La velocidad de la luz en el vacío, c, es 299 792 458 m/s
• La constante de Planck, h, es 6,626 070 15 × 10^-34 J·s
• La carga elemental, e, es 1,602 176 634 × 10^-19 C
• La constante de Boltzmann, k, es 1,380 649 × 10^-23 J/K
• La constante de Avogadro, N_A, es 6,022 140 76 × 10²³ mol^-1
• La eficacia luminosa de la radiación monocromática de frecuencia 540 × 10¹² Hz, K_cd, es 683 lm/W

con los anteriores valores numéricos carentes de incertidumbre y donde las unidades hercio, julio, culombio, lumen y vatio, con símbolos Hz, J, C, lm y W respectivamente, están relacionadas con las unidades segundo, metro, kilogramo, amperio, kelvin, mol y candela, con símbolos s, m, kg, A, K, mol y cd respectivamente, por las expresiones Hz = s^–1, J = m² kg s^–2, C = A s, lm = cd m² m^–2 = cd sr y W = m² kg s^–3.

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11	Curso Evaluación de datos de Medición				3 días (21 horas)
12	Curso Linealidad, curvas de ajuste, Interpolación y extrapolación				2 días (14 horas)
13	Curso Determinación de Intervalos de Calibración de equipos de medida y calibración				1 día (7 horas)
14	Curso Entender Certificados de Calibración				1 día (7 horas)
15	Curso Métodos de Medición, Prueba y Calibración				1 día (7 horas)
16	Curso Organización de Laboratorios de Metrologia				2 días (14 horas)
17	Curso Laboratorio de Masa e Instrumentos de Pesaje				4 días (28 horas)
18	Curso Trazabilidad de las Mediciones				2 días (14 horas)
19	Curso Práctico de Calibración de Pesas, Balanzas y Básculas				3 días (21 horas)
20	Curso práctico de calibración de equipos de medida y ensayos				3 días (21 horas)
21	Cursó básico				1 día (8 horas)

¿Porqué los laboratorios calibran las pesas patrón en lo que denominan masa convencional?

La indicación del valor de masa en un instrumento de pesaje de funcionamiento no automático está influenciada por la aceleración local de la gravedad, la temperatura y densidad de la carga y la temperatura y densidad del aire que la rodea. Según Arquimides todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje proporcional al volumen del fluido desalojado. En este caso, una masa sobre un instrumento de pesaje está sumergida en un fluido, el aire, la masa ocupa un volumen que debería ocupar el aire, por lo que experimenta un empuje hacia arriba proporcional al volumen de la pesa que ha desalojado su volumen en aire.

Esto implica que cuando colocamos una masa sobre una báscula / balanza la indicación esta afectada debido al empuje opuesto al peso de la masa. Los instrumentos de pesaje se utilizan en aire y cuando se pesan objetos están sometidos al empuje del aire, por eso estos instrumentos se ajustan y utilizan en lo que se denomina masa convencional.

Como la indicación de la báscula / balanza es proporcional a la densidad del aire y a la densidad de la masa colocada sobre la plataforma de pesaje lo que se hace en los laboratorios es tratar de controlar las condiciones ambientales del aire (temperatura, humedad y presión atmosférica) y las masas objeto del pesaje que en los laboratorio son las pesas patrón propias y las de sus clientes.

Ya que la indicación de una balanza / báscula depende de las condiciones ambientales se han definido unas condiciones ideales para tener una referencia adecuada. Se definen las condiciones ideales del aire a 20 ºC, presión atmosférica 760,5 mm Hg y humedad relativa 50 %. En estas condiciones ideales la densidad del aire es 1,2 kg/m3.

Estas condiciones ambientales son muy difíciles de conseguir y lo que se hace en la práctica en los laboratorio de calibración es establecer unos valores límite entre los que realizar la calibración, en esas condiciones se miden los parámetros ambientales y se calcula matemáticamente la densidad del aire. Así se controla la primera magnitud que afecta a la indicación de un instrumento de pesaje.

La otra magnitud es la densidad del patrón y se establece una densidad de referencia de 8000 kg/m3 para pesas patrón de acero inoxidable. Este es el material con el que se fabrican las pesas patrón de la más alta exactitud.

Curso Metrologia y Calibración

Los días 3 y 4 de Abril próximos se va a impartir el Curso de 16 h de Metrologia y Calibración, son 2 jornadas de 8 h. En el siguiente enlace se realizan las inscripciones:

learning.sgs.com

Los objetivos del curso son:

• Determinar la necesidad o no de calibración de un equipo.
• Interpretar el requisito de ISO 9001:2015: 7.1.5.Recursos de seguimiento y de medición
• Confeccionar un plan de calibración
• Adquirir el conocimiento necesario para interpretar y/o desarrollar un procedimiento para la calibración de un equipo
• Determinar la incertidumbre máxima admisible de un equipo

No obstante, se invita a los asistentes a que puedan aclarar sus dudas.