Actualização do Sistema Internacional de Unidades Understand article

Tradução de Isabel Queiroz Macedo. Numa actualização baseada em investigação científica recente, todas as unidades de base do Sistema Internacional de Unidades, SI, serão em breve definidas oficialmente em termos de constantes fundamentais do universo.

Embora os EUA insistam em usar unidades como milhas, libras e graus Fahrenheit, quase todo o resto do mundo adoptou o sistema métrico decimal. O Sistema Internacional de Unidades (ou unidades SI) é o sistema de medição mais abrangente e preciso. Compreende sete unidades de base, das grandezas comprimento, massa, tempo, temperatura, intensidade da corrente eléctrica, intensidade luminosa e quantidade de matéria.

The international SI logo, showing the seven basic units and the fundamental constants their 2019 definitions are based on
As sete unidades de base e as constantes fundamentais em que se baseiam as definições em 2019.
Cortesia de BIPM
 

Desde que o sistema métrico foi estabelecido na década de 1790, os cientistas foram encontrando definições das unidades cada vez mais rigorosas e precisas. Quatro dessas unidades – quilograma (kg), kelvin (K), ampere (A) e mole (mol) -foram recentemente redefinidas em termos de constantes fundamentais da física. As novas definições entram em vigor no Dia Mundial da Metrologia, 20 de maio de 2019. E assim, após essa data todas as unidades de base do Sistema Internacional serão definidas em termos de constantes universais.

Metro (comprimento)

Em 1799 o metro foi definido, com base nas dimensões da Terra, pelo comprimento de uma barra de platina. Posteriormente, a evolução do conhecimento científico sobre propriedades da luz e os trabalhos sobre interferometria conduziram à definição da unidade de comprimento a partir da velocidade da luz (c), que foi medida com um interferómetro, um instrumento capaz de medir pequenas distâncias em função do comprimento de onda da luz; os detectores são do mesmo tipo dos que permitiram descobrir ondas gravitacionais. O metro (m) é o comprimento do trajecto percorrido pela luz, no vazio, em 1/299 792 458 s. Esta definição não será alterada em maio de 2019.

Kilograma (massa)

The International Prototype Kilogram (IPK), a cylinder of platinum-iridium alloy kept at BIPM in France
O Protótipo Internacional do
kilograma (IPK), um cilindro
de platina iridiada guardado
no BIPM, em França

Cortesia do BIPM
 

O quilograma, unidade de massa do Sistema Internacional, é definido desde 1889 como a massa do protótipo internacional do kilograma (IPK), um cilindro de platina iridiada conservado na agência internacional de pesos e medidas (Bureau International des Poids et Mesures), nos arredores de Paris. Mas esta massa está sujeita a (pequeníssimas) flutuações, devido a factores como a acumulação de poeira microscópica. Em 20 de maio de 2019 entra em vigor uma nova definição de quilograma (kg), em termos do valor da constante de Planck, h, 6,62607015 x 10-34 J s ou kg m2 s-1. A constante de Planck é usada no cálculo de energias em física de partículas.

Segundo (tempo)

A primeira definição de segundo baseava-se no tempo decorrido entre duas luas cheias; mais tarde foi definido em termos da duração média do dia solar, e depois, do ano solar. Actualmente, o segundo (s) é definido com base num relógio atómico, com incerteza de um segundo em 130 milhões de anos, e é a duração de 9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio-133. Esta definição não será alterada em maio de 2019.

Kelvin (temperatura)

A escala kelvin de temperatura começa no estado mais frio possível da matéria. Actualmente, o kelvin (K) é definido com base na temperatura do ponto triplo da água, 273,16 K, em que a água coexiste nos estados sólido, líquido e gasoso. O kelvin é a fracção 1/273,16 da temperatura do ponto triplo da água. Mas a água nunca é completamente pura e as impurezas podem influenciar o ponto triplo. A constante de Boltzmann, k, relaciona a energia cinética média de partículas de um gás e a temperatura do gás. Em 2017, uma equipa de físicos alemães da Physikalisch-Technische Bundesanstalt mediu a constante de Boltzmann com uma incerteza até aí inigualada. O valor determinado é 1,380649 x 10-23 J/K (joule/kelvin) ou kg m2 s-2/K e vai servir de base à nova definição de kelvin.

Melting ice: water can exist in all three states – solid, liquid and gas – only at 273.16 K (or 0.01°C), the ‘triple point’ of water.
A água pode coexistir nos três estados apenas no ‘ponto triplo’.
Paul Vladuchick/Flickr, CC BY-NC-ND 2.0
 

Ampere (corrente eléctrica)

André-Marie Ampère (1775-1836), por muitos considerado o pai da electrodinâmica, tem a honra de ter o nome na unidade de corrente eléctrica. Actualmente o ampere (A) é definido como a intensidade de uma corrente constante que, mantida entre dois condutores paralelos, rectilíneos, de secção circular desprezável, colocados a 1 metro um do outro no vazio, produziria entre estes condutores uma força igual a 2 x 10-7 N (newton) por metro de comprimento. Em 20 de maio de 2019 entrará em vigor a nova definição, recentemente aprovada, que se baseia na carga eléctrica elementar, e, igual a 1,602176634 x 10-19 A s (Ampere segundo).

Candela (intensidade luminosa)

The light emitted by a single candle is roughly equal to one candela, the SI unit of luminosity.
A luz emitida por uma vela é
igual a cerca de uma candela.

tristangage/Flickr, CC BY-NC-
ND 2.0
 

A candela é a unidade de base do Sistema Internacional de Unidades para a intensidade luminosa, uma grandeza muito relacionada com o brilho. Os primeiros padrões de candela tinham por base a radiação do corpo negro, ou seja, a luz que todos os objectos emitem em função da sua temperatura. Actualmente, a candela (cd) é definida como a intensidade luminosa, numa dada direcção, de uma fonte que emite radiação monocromática de frequência 540 x 1012 Hz (hertz) e cuja intensidade nessa direcção é 1/683 W sr-1 (watt por esterradiano) ou kg ms-3 sr-1. E esta definição não vai ser alterada. Para fazermos uma ideia, a intensidade luminosa emitida por uma vela normal é igual a cerca de uma candela.

Mole (quantidade de matéria)

Ao contrário de todas as outras unidades de base do Sistema Internacional, a mole, unidade de quantidade de matéria, é uma grandeza adimensional. Relaciona o número de entidades elementares com a massa, seguindo uma abordagem iniciada por Amadeo Avogadro (1776 – 1856). Actualmente a mole (mol) é definida como a quantidade de matéria que contém tantas entidades elementares (p.ex. átomos, moléculas, iões, electrões) quantos os átomos que existem em 12 g de carbono-12. Esse número é o número de Avogadro e vale cerca de 6 x 1023. A definição que entrará em vigor em maio de 2019 já não depende da definição de kilograma; uma mole (mol) contém exactamente 6,02214076 x 1023 entidades elementares. Este número é o número de Avogadro, o valor numérico fixado para a constante de Avogadro, NA, expressa em mol-1.

A balloon, a flask and a beaker, each containing one mole of a substance. The balloon contains one mole of a gas, the beaker one mole of solid nickel (II) chloride, and the flask one mole of copper (II) sulfate in one litre of water (a one-molar solution).
Um balão, um copo e um balão volumétrico, cada um contendo uma mole de uma substância. O balão contém uma mole de um gás, o copo, uma mole de um sólido, cloreto de níquel (II), e o balão volumétrico, uma mole de sulfato de cobre (II) dissolvido em água (1 L de solução 1 mol/L).
Science Photo Library

Agradecimentos

Este artigo é baseado num artigo publicado na revista Symmetry  em 7 de novembro de 2017w1

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Web References

  • w1 – Symmetry magazine é uma publicação online de livre acesso sobre física de partículas. É publicada por dois laboratórios, o ‘Fermi National Accelerator Laboratory’ e o ‘SLAC National Accelerator Laboratory’, ambos nos EUA. Para ver o artigo original, visite o Symmetry website.

Resources

Author(s)

Dan Garisto escreve sobre ciência. Pode segui-lo no Twitter em @dangaristo.


Review

Os progressos científicos e tecnológicos permitem-nos fazer medições com exactidão muito elevada e incerteza muito baixa. Como se mostra neste artigo, a metrologia tira partido desse progresso.

Os alunos aprendem o sistema SI, mas não entendem realmente a física por detrás das definições. Este artigo pode ser usado para introduzir alguns conceitos da física subjacente às unidades SI de base, com alunos de 11-16 anos, ou para introduzir algumas unidades SI derivadas, com os alunos mais avançados.

Este artigo pode também servir de base a uma introdução sobre a importância da luz na medição de comprimento e sobre o uso de interferómetros.

Exemplos de perguntas sobre este tema:

  • Que é o Sistema Internacional de Unidades?
  • Explique as diferenças entre o Sistema Internacional de Unidades e o Sistema utilizado nos EUA.
  • Diga o nome e os símbolos das sete unidades de base do Sistema Internacional e das grandezas físicas que medem. 
  • Porque estamos a mudar algumas definições de unidades do SI?
  • Escolha uma grandeza física e explique a definição da unidade SI correspondente.

Gerd Vogt é professor de física e coordenador de ciência e tecnologia na Escola Secundária de Ambiente e Economia, Yspertal, Áustria




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