Menú de Química

Buscar este blog

Translate

jueves, 17 de abril de 2025

Historia de la medición 6. Unidades fundamentales 2



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 de 2019. El kilogramo, el amperio, el kelvin y el mol se definirán estableciendo valores numéricos exactos para la constante de Planck (h), la carga eléctrica elemental (e), la constante de Boltzmann (k) y la constante de Avogadro (NA), respectivamente. El metro y la candela ya están definidos por constantes físicas, sujetas a corrección a sus definiciones actuales únicamente por mejoras tecnológicas. Las nuevas definiciones apuntan a mejorar el SI sin cambiar el tamaño de las unidades, asegurando así la continuidad con las mediciones existentes.

Dibujo de ingeniería

El contenido generado por IA puede ser incorrecto.

Figura 1. Las unidades de medida actuales, basadas en constantes universales como la velocidad de la luz, son más estables y reproducibles que las antiguas, que dependían de objetos físicos vulnerables. Este cambio evita riesgos históricos y geopolíticos, garantiza precisión científica y permite que cualquier laboratorio acceda a estándares confiables, fortaleciendo la equidad y el progreso tecnológico global.

El sistema métrico se concibió originalmente como un sistema de medición derivado de fenómenos invariables, "para todas las personas, de todos los tiempos", 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 de la 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, estos 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.

Las formas de medir el kilogramo, el amperio, el kelvin y el mol cambiarán  a partir de 2018 | Ciencia | EL PAÍS

Figura 2. La balanza de Watt, inventada por Bryan Kibble en 1975 en el NPL del Reino Unido, mide la masa mediante fuerzas electromagnéticas, sin usar patrones físicos. Relaciona la masa con la constante de Planck usando principios como la ley de Lorentz y la ley de Faraday, y fue clave en la redefinición del kilogramo en 2019.

La idea anterior es fácil de entender, pero aquí es donde comienza lo complejo: la nueva definición del kilogramo parte del siguiente principio:
“El kilogramo, símbolo kg, es la unidad de masa del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la constante de Planck igual a 6.62607015×10³⁴ kg·m²/s, donde el metro se define con base en la velocidad de la luz y el segundo, mediante la frecuencia del cesio-133.” Al asignar un valor fijo a la constante de Planck —cuyas unidades incluyen el kilogramo— y al definir el metro a partir de la velocidad de la luz, el tamaño de un kilogramo se vuelve constante. Puede pensarse como un anclaje inmutable: el kilogramo queda vinculado para siempre a una constante universal.

La redefinición del kilogramo ha sido un reto científico monumental que tomó varias décadas. El principal desafío fue medir con alta precisión la constante de Planck, lo que requiere una técnica confiable y reproducible. Así como la velocidad de la luz sirve como patrón para el metro, la constante de Planck debía alcanzar el mismo nivel de exactitud. Para lograrlo, el NIST y otros laboratorios del mundo desarrollaron una máquina extremadamente precisa: la balanza de Kibble (también conocida como balanza de Watt), que permite medir la constante de Planck con una incertidumbre mínima, suficiente para que se convierta en la nueva base del kilogramo.

La balanza de Kibble, alojada en instalaciones subterráneas del NIST, se aísla de cualquier vibración mediante una losa flotante de concreto. Por su sensibilidad extrema, los científicos deben usar medidas rigurosas de limpieza. Este instrumento, ideado por el físico británico Bryan Kibble, reemplaza el sistema de pesas físicas al equilibrar la energía mecánica de una masa con una energía eléctrica equivalente. En esencia, transforma un concepto clásico de balanza en una herramienta de metrología cuántica

Lo verdaderamente importante es que, en las complejas ecuaciones involucradas en la balanza de Kibble, entre todas las variables presentes —como la masa, la velocidad, la fuerza gravitacional, el magnetismo y la electricidad— se encuentra la constante de Planck (). Utilizando esta máquina, los científicos lograron determinar el valor de con una precisión y exactitud suficientes para emplearla como nuevo patrón de masa. Esto es posible porque, como nos enseñó Albert Einstein con su célebre ecuación 𝐸 = 𝑚𝑐², la energía y la masa son, en esencia, dos manifestaciones distintas de una misma realidad.

Ahora bien, podrías preguntarte: ¿qué papel cumple hoy la balanza de Kibble si ya se definió la constante de Planck? Su función es reemplazar la necesidad del Prototipo Internacional del Kilogramo (IPK) conservado en Francia. Ya no se depende de un objeto físico, porque ahora la masa de un kilogramo se conoce en términos de una constante universal que puede aplicarse en cualquier lugar del universo.

Este nuevo patrón garantiza una medición precisa e inmutable, permitiendo que un kilogramo sea siempre un kilogramo, sin importar el tiempo, el lugar o la persona que lo mida. Poéticamente, el nuevo estándar de masa está anclado en la luz misma, en las leyes fundamentales del universo, asegurando una referencia tan universal como inspiradora.

El nuevo amperio

La definición del amperio, unidad de corriente eléctrica en el Sistema Internacional, fue profundamente revisada en 2019. La definición anterior se basaba en una fuerza entre conductores infinitamente largos y paralelos, lo cual era teóricamente elegante, pero prácticamente difícil de reproducir con alta precisión en laboratorios. Por esta razón, se adoptó una nueva definición más intuitiva y fácil de implementar, basada en una constante fundamental de la naturaleza.

Desde entonces, el amperio se define tomando el valor numérico fijo de la carga elemental (e) como exactamente 1.602176634 × 10¹⁹ A·s. Esto significa que un amperio equivale al flujo de 1/e electrones por segundo. Como el segundo ya está definido con base en las transiciones del átomo de cesio-133, esta redefinición permite establecer el amperio de forma estable, reproducible y universal, sin depender de artefactos físicos, sino de propiedades fundamentales de la materia.

El nuevo kelvin

La definición del kelvin, unidad de la temperatura termodinámica en el Sistema Internacional (SI), fue modificada profundamente con el objetivo de desligarla de propiedades materiales específicas. Antiguamente, el kelvin se definía en función del punto triple del agua, una condición en la que el agua coexiste en estado sólido, líquido y gaseoso. Aunque esta definición fue útil durante décadas, su dependencia de una sustancia específica generaba imprecisiones en condiciones experimentales distintas, por lo que se optó por una base más universal.

La nueva definición del kelvin se apoya en una constante fundamental de la física: la constante de Boltzmann (k). Esta constante vincula la energía promedio por partícula con la temperatura absoluta, estableciendo una conexión directa entre el mundo microscópico y las variables macroscópicas. Su valor se ha fijado en 1.380649×10²³ kg·m²/(s²·K), lo que permite que el kelvin se defina sin recurrir a ninguna sustancia específica, sino únicamente a propiedades físicas invariables del universo.

Desde un punto de vista conceptual, la constante de Boltzmann puede entenderse como la constante de los gases ideales (R) sustituyendo mol por el número de Avogadro. Es decir, mientras R describe el comportamiento energético de una mol de gas ideal, la constante de Boltzmann describe ese mismo comportamiento para una sola partícula o entidad individual. Al eliminar el mol, se establece una relación directa entre la energía (por ejemplo en julios o litros·atmósfera) y la temperatura en kelvin, de modo que se puede calcular la energía media por partícula a partir de la temperatura, y viceversa.

Gracias a esta redefinición, el kelvin queda vinculado a constantes universales como la constante de Planck (h), la velocidad de la luz (c) y la frecuencia de transición del cesio-133, que definen respectivamente al kilogramo, metro y segundo. Esto refuerza la coherencia interna del SI al conectar todas las unidades fundamentales a propiedades físicas constantes, independientes de cualquier artefacto o material. Así, la temperatura se convierte en una magnitud plenamente universal y reproducible en cualquier parte del mundo.

El nuevo mol

La principal diferencia en la nueva definición del mol es que ya no se basa en la masa del carbono-12, como se hacía anteriormente, sino que ahora se define directamente a partir de un valor fijo del número de Avogadro, es decir, NA = 6.02214076 × 10²³ entidades elementales/mol. Esto significa que un mol representa exactamente esa cantidad de entidades, sin necesidad de asociarlo a una masa específica. Según la definición oficial, estas entidades elementales pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones, otras partículas o incluso conjuntos definidos de ellas, siempre que se indique de manera explícita cuál es la naturaleza de la entidad que se está contando.

De acuerdo con el Libro de Oro de la IUPAC, en las fórmulas químicas y físicas el tipo de entidad elemental no se especifica en la parte operativa, ya que se asume como una variable cuantizada o discreta y por lo tanto adimensional. Esto permite operar con el número de moles sin necesidad de anotar repetidamente la identidad específica de las partículas involucradas, simplificando el tratamiento algebraico y matemático de las cantidades. La idea es que el mol funciona como una especie de marcador de cantidad, y es el contexto el que determina qué se está contando, tal como en la vida cotidiana usamos términos como “una docena” sin tener que decir cada vez “una docena de huevos”.

Para evitar la proliferación innecesaria de fórmulas y constantes en este curso, adoptaremos una interpretación práctica del mol como una unidad de conjunto de entidades, equivalente a otras unidades colectivas como el par, la docena o el ciento, pero con un valor numérico mucho más grande, definido como el número de Avogadro. Esta interpretación nos permite usar un único parámetro, n, para referirnos al número de conjuntos, sin importar si estos representan unidades individuales, pares, decenas, docenas, cientos o moles. Así, podemos unificar el tratamiento algebraico de muchas situaciones y evitar el uso de múltiples versiones de una misma fórmula para distintas escalas de conteo.

Referencias

Cabral, M. D. (2018). Kilogramo: Redefiniciones en el sistema internacional de unidades. Revista Skopein, (19).
Esser, M. (2018). Reason and Measurement, Suits and Ties: My Personal Journey to the New SI. Recuperado de https://www.nist.gov/blogs/taking-measure/reason-and-measurement-suits-and-ties-my-personal-journey-new-si
NIST. (2018). Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants. Recuperado el 20 de noviembre de 2018, de https://www.nist.gov/news-events/news/2018/11/historic-vote-ties-kilogram-and-other-units-natural-constants
Robinson, I. A. (2018). The Kibble Balance and the Forthcoming Revision of the SI. En 2018 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018) (pp. 1–2). IEEE.
Schlamminger, S. (2018). Redefining the Kilogram and Other SI Units.
Stock, M. (2018). The Revision of the SI–Towards an International System of Units Based on Defining Constants. 
Measurement Techniques, 60(12), 1169–1177.

No hay comentarios:

Publicar un comentario