A redefinição das unidades de medida do SI

Na 26ª General Conference of Weights and Measures, em Versailles, mais de 55 países votaram para redefinir quatro das sete unidades de base do Sistema Internacional de Unidades (SI).

metrologiaDa Redação –

Os delegados representando 60 países votaram em Versalhes para implementar a mudança mais significativa para o Sistema Internacional de Unidades (SI) em mais de 130 anos. Pela primeira vez, todas as unidades de medida serão definidas por fenômenos naturais e não por artefatos físicos. O evento foi a 26ª General Conference on Weights and Measures (CGPM) e foi organizada pelo Bureau Internacional des Poids et Mesures (BIPM).

Embora os consumidores e a maioria das indústrias não irão notar os impactos imediatos, os cientistas esperam que a mudança inspire novas tecnologias e reduza o custo de calibrar os processos industriais e os instrumentos científicos. Depois de décadas de um trabalho científico inovador por institutos nacionais de medição de todo o mundo, os delegados votaram para redefinir o quilograma e três unidades do SI adicionais: corrente elétrica (ampere), temperatura (kelvin) e quantidade de substância (mol). As novas definições entrarão em vigor em 20 de maio de 2019 – Dia Mundial da Metrologia, que celebra o estabelecimento do SI, ou sistema métrico, em 1875.

Atualmente, há apenas um verdadeiro quilograma, conhecido como Le Grand K , que é protegido em um cofre fora de Paris e usado para calibrar todas as medidas de massa em todo o mundo. Feito de platina-irídio, o Le Grand K , como qualquer liga, pode mudar com o tempo, absorvendo moléculas do ar ou perdendo-as através da limpeza. No entanto, mesmo essas mudanças incrivelmente pequenas significam que o artefato não é mais preciso o suficiente para futuras pesquisas avançadas e aplicações tecnológicas.

Nos últimos 40 anos, com o avanço da ciência quântica, os cientistas mediram agora constantes naturais como a velocidade da luz e a constante de Planck com precisão excepcional. Utilizando combinações destas constantes e as equações de mecânica quântica, os cientistas criaram a revisão das unidades do SI para medir a massa, a corrente elétrica, a temperatura e o número de mol que são pelo menos de um milhão de vezes mais estável do que os artefatos como Le Grand K.

Os cientistas sempre sonharam em ter um sistema de medição preciso que pudesse ser realizado a qualquer hora, em qualquer lugar, desde o século XVIII. Os avanços científicos na ciência quântica, muitos dos quais ocorreram nos institutos nacionais de metrologia (INM) em todo o mundo, finalmente tornaram isso possível.

Os fenômenos quânticos idênticos em todos os lugares já são usados para definir o segundo, que é a unidade do SI para o tempo, e o metro, a unidade do SI para a distância. O segundo é definido como 9.192.631.770 oscilações naturais de radiação de micro-ondas liberadas pelo elemento césio e o metro é definido como a distância percorrida pela luz no vácuo em 1/299.792.458 de um segundo. Essas definições revisadas, implementadas em 1967 e 1983, respectivamente, foram necessárias para a invenção do GPS e de muitas outras tecnologias modernas.

Em maio de 2019, quando a definição revisada do quilograma for implementada, ela será baseada em três constantes fundamentais: a constante de Planck, a velocidade da luz e a radiação de micro-ondas natural do átomo de césio. A constante de Planck descreve o tamanho dos pacotes de energia ou quanta que os átomos e outras partículas usam para absorver e emitir energia.

A massa atual do quilograma exerce uma quantidade específica de força na gravidade da Terra. A definição revisada substitui essa determinação de força mecânica por uma medição eletromagnética ligada à constante de Planck e baseada na corrente elétrica e na tensão.

Usando um instrumento chamado balança de Kibble, inventada por Bryan Kibble, uma corrente elétrica é gerada em uma bobina para produzir um campo magnético forte o suficiente para equilibrar uma massa de um quilograma. O método requer uma medição precisa da gravidade local, que varia dependendo da elevação e vários outros fatores. Também requer a movimentação da bobina através de um campo magnético de força conhecida e a uma velocidade conhecida, assim como as constantes usadas para determinar o tempo e a frequência.

De maneira semelhante, a unidade do SI para o ampere agora será baseada na constante para a carga do elétron. O kelvin será baseado em medidas quânticas de movimento atômico e estará ligado a constante de Boltzmann que relaciona a energia de um objeto à sua temperatura, bem como às constantes de frequência de Planck e de césio. Já o mol será baseado em um valor melhorado para a constante de Avogadro.

Para os cientistas, os dois setores mais propensos a se beneficiar mais rapidamente das redefinições são os eletroeletrônicos e os produtos farmacêuticos A unidade do SI atual para o ampere é impraticável para realizar medições elétricas de precisão, pois foram baseadas por 30 anos em medidas quânticas como o efeito Hall quântico e junções Josephson que geram tensões quânticas. A mudança coloca as medições elétricas de volta no SI, onde todas as outras medidas são feitas.

As empresas farmacêuticas estão agora medindo a massa em níveis de microgramas, que é apenas um bilionésimo de um quilo. Uma vez que o quilograma é redefinido em termos quânticos, eles ganham uma unidade de medida que é escalável até o nível que eles precisam para melhorar o projeto e os estudo das substâncias químicas, com muito menos incerteza.

Essa capacidade de dimensionar com mais precisão as medidas do nível quântico até os tamanhos massivos de galáxias é uma vantagem importante, bem como para as outras unidades SI recém-revisadas com base nas constantes naturais. As redefinições serão baseadas em constantes físicas, estáveis e imutáveis (de acordo com as teorias científicas atuais): os novos métodos de medição usam fenômenos quânticos (por exemplo, a carga do elétron) e fenômenos relativísticos (como a velocidade da luz no vácuo) como base para padrões de medidas fundamentais.

Dessa forma, chegará ao fim, por exemplo, a era da definição do quilograma baseada no protótipo de platina-irídio guardado a sete chaves na sede do BIPM, na França: com a mudança, a unidade de massa do SI passará a ser definida nos termos da constante de Planck, assegurando estabilidade de longo prazo. Com a redefinição das unidades, pode-se ter as medidas que a metrologia sempre buscou: universais (harmonizadas no mundo inteiro), justas (iguais para todos) e perenes (baseadas em constantes fundamentais, imutáveis).

Assim como nas outras vezes em que o SI foi revisado, todo cuidado tem sido tomado para que não haja impacto perceptível na vida cotidiana e que as medições feitas com definições anteriores continuem válidas, considerando suas incertezas. Poucos usuários fora do ambiente dos laboratórios dos institutos nacionais de metrologia perceberão as mudanças. No dia a dia do cidadão ou consumidor, por exemplo, esses efeitos não deverão ser notados. A novidade poderá, porém, trazer transformações para a ciência e a indústria que use tecnologia de ponta, como, por exemplo, em medições de caracterização física e química de nanomateriais.

Em resumo, o quilograma será definido nos termos da constante de Planck, assegurando estabilidade de longo prazo à unidade de massa do SI (a definição deixará de ser baseada no protótipo de platina-irídio). Sua realização poderá ser realizada por qualquer método viável (exemplos: balança de Kibble – watt – ou o método da determinação da constante de Avogadro, por meio da estimativa do número de átomos em uma esfera de silício). Na prática, os usuários poderão obter rastreabilidade ao SI valendo-se das mesmas fontes atuais (BIPM, INM e laboratórios acreditados). Comparações internacionais vão assegurar sua consistência. O valor da constante de Planck será fixado para assegurar que não haja mudanças no quilograma. As incertezas oferecidas pelos INM a seus clientes de calibração não serão afetadas.

O ampere e outras unidades elétricas serão definidos a partir da carga do elétron e sua redefinição não afetará a grande maioria dos usuários de medições. O Volt e o ohm serão definidos a partir da carga do elétron e da constante de Planck; o Volt vai mudar para cerca de 0,1 parte por milhão e o ohm mudará ainda menos. Os profissionais que trabalham nos níveis mais altos de exatidão precisarão atualizar os valores de seus padrões ou reavaliar sua incerteza padrão.

O Kelvin, para a redefinição, será nos termos da constante de Boltzmann e não terá efeito imediato na medição prática de temperatura ou na rastreabilidade dessas medições e, para a maioria dos usuários, passará despercebida. A redefinição assenta as bases para futuros aprimoramentos na medição. Uma definição livre de materialização e de limitações tecnológicas permite o desenvolvimento de novas técnicas, aperfeiçoadas, para tornar as medições rastreáveis ao SI, especialmente em temperaturas extremas.

O Mol será redefinido respeitando uma quantidade específica de entidades (tipicamente átomos ou moléculas) e não estará mais ligado ao quilograma. A rastreabilidade continuará podendo ser estabelecida por meio das técnicas já existentes, incluindo o uso de medição de massa juntamente com tabelas de pesos atômicos e a constante de massa molar (número de Avogadro). Os pesos atômicos não serão afetados pela mudança. A variação na incerteza será tão pequena que não vai requerer nenhuma mudança nas medições.

As definições revistas do quilograma, ampere, kelvin e mol não terão impacto sobre o segundo, o metro e a candela. O segundo continuará a ser definido em termos da frequência de transição do átomo de césio 133. A cadeia de rastreabilidade para o segundo não será afetada. Tempo e frequência na metrologia não serão afetadas.

O metro no SI revisado continuará a ser definido em termos da velocidade da luz, uma das constantes fundamentais da física. A prática de metrologia dimensional não precisará ser modificada de nenhuma maneira e se beneficiará da estabilidade de longo prazo do sistema.

A candela continuará a ser definida em termos de Kcd, uma constante técnica para fotometria e continuará, portanto, a ser ligado ao Watt. A rastreabilidade da candela ainda será estabelecida com a mesma incerteza de medição via métodos radiométricos usando a calibração absoluta dos detectores.

O SI foi revisado várias vezes desde a sua adoção formal pela CGPM em 1960. No entanto, a redefinição de quatro unidades de base ao mesmo tempo é sem precedentes, exigindo colaborações mundiais simultâneas em diversos campos da metrologia. Como no passado, foi tomado o cuidado de garantir que não haverá um impacto perceptível na vida diária e que as medições feitas com definições prévias das unidades permanecerão válidas dentro de suas incertezas de medição. Poucos usuários fora dos laboratórios nacionais de metrologia observarão as mudanças. Alcançar as precisões experimentais e cumprir as condições solicitadas nas resoluções da CGPM têm sido um feito notável que garantirá que o SI continuará a atender às necessidades até mesmo dos usuários mais exigentes.

Sistema Internacional de Unidades (SI)

A história do SI vem de longa data, mas em 1960, a 11ª Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) deu formalmente o nome de Systeme International d’Unites, simbolizado como SI (Sistema Internacional) e o estabeleceu como padrão universal de unidades de medição. SI é um símbolo e não a abreviatura de Sistema Internacional. O SI é um sistema de unidades com as seguintes características desejáveis: coerente, decimal, único, poucas unidades de base, unidades com tamanhos razoáveis, completo, simples e preciso, não degradável e universal.

Ser coerente significa que o produto ou o quociente de quaisquer duas unidades é a unidade da quantidade resultante. Por exemplo, o produto da força de 1 N pelo comprimento de 1 m é 1 J de trabalho. No sistema decimal, todos os fatores envolvidos na conversão e criação de unidades são somente potências de 10.

No SI, as únicas exceções se referem às unidades de tempo baseadas no calendário, onde se tem 1 dia 24 horas, 1 hora 60 minutos e 1 minuto 60 segundos. No sistema, há somente uma unidade para cada tipo de quantidade física, independente se ela é mecânica, elétrica, química, ou termal. Joule é unidade de energia elétrica, mecânica, calorífica ou química.

As sete unidades de base são separadas e independentes entre si, por definição e realização. Os tamanhos das unidades evitam a complicação do uso de prefixos de múltiplos e submúltiplos. O SI é completo e pode se expandir indefinidamente, incluindo nomes e símbolos de unidades de base e derivadas e prefixos necessários. Ele é simples, de modo que os cientistas, engenheiros e leigos podem usá-lo e ter noção das ordens de grandeza envolvidas. Não possui ambiguidade entre nomes de grandezas e de unidades. O SI não se degrada, de modo que as mesmas unidades são usadas ontem, hoje e amanhã.

Os símbolos e nomes de unidades formam um único conjunto básico de padrões conhecidos, aceitos e usados no mundo inteiro. Oferece várias vantagens nas áreas de comércio, relações internacionais, ensino e trabalhos acadêmicos e pesquisas científicas. Atualmente, mais de 90% da população do mundo vivem em países que usam correntemente ou estão em vias de mudar para o SI.

Os Estados Unidos, Inglaterra, Austrália, Nova Zelândia, África do Sul adotaram legalmente o SI. Também o Japão e a China estão atualizando seus sistemas de medidas para se conformar com o SI. A utilização do SI é recomendada pelo BIPM, ISO, OIML, CEI e por muitas outras organizações ligadas à normalização, metrologia e instrumentação. É uma obrigação de todo técnico entender, respeitar e usar o SI corretamente.

A política (Policy 9.20) adotada pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) é de unidades SI e começou em janeiro de 1996, no estágio 1, que requer que todas as normas novas e revisões submetidas para aprovação devem ter unidades SI. No estágio 2, a partir de janeiro de 1998, dá-se preferência às unidades do SI. A política não aprova a alternativa de se colocar a unidade SI seguida pela unidade não SI em parêntesis, pois isto torna mais difícil a leitura do texto. É recomendável usar notas de rodapé ou tabelas de conversão.

No estágio 3, após janeiro de 2000, todas as normas novas e revistas deveriam usar obrigatoriamente unidades SI. As unidades não SI só podem aparecer em notas de rodapé ou em anexos informativos. Foram notadas três exceções: tamanhos comerciais, como séries de bitola de fios AWG e conexões baseadas em polegadas, não precisam ser transformados em termos SI; soquetes e plugs; e quando houver conflitos com normas ou práticas de indústria existentes, deve haver uma avaliação individual e aprovado temporariamente pelo IEEE. A implementação do plano não requer que os produtos já existentes, com parâmetros em unidades não SI, sejam substituídos por produtos com parâmetros em unidades SI.

Como há unidades muito pequenas e muito grandes, elas devem ser modificadas por prefixos fatores de 10. Por exemplo, a distância entre São Paulo e Rio de Janeiro expressa em metros é de 4 x 109 metros. A espessura da folha deste livro é cerca de 1 x 10-7 metros. Para evitar estes números muito grandes e muito pequenos, compreensíveis apenas para os cientistas, usam-se prefixos decimais às unidades SI. Assim, a distância entre São Paulo e Rio se torna 400 quilômetros (400 km) e a espessura da folha de papel, 0,1 milímetros (0,1 mm). Os prefixos para as unidades SI são usados para formar múltiplos e submúltiplos decimais das unidades SI. Deve-se usar apenas um prefixo de cada vez. O símbolo do prefixo deve ser combinado diretamente com o símbolo da unidade.

Observações

* Exceto para o uso não técnico de centímetro e em medidas especiais de área e volume, devem-se evitar estes prefixos.

** Estes prefixos devem ser os preferidos, por terem potências múltiplas de 3

Unidades de base e derivadas do SI

Principais unidades SI

Grandeza

Nome

Plural

Símbolo

comprimento

metro

metros

m

área

metro quadrado

metros quadrados

volume

metro cúbico

metros cúbicos

ângulo plano

radiano

radianos

rad

tempo

segundo

segundos

s

freqüência

hertz

hertz

Hz

velocidade

metro por segundo

metros por segundo

m/s

aceleração

metro por segundo por segundo

metros por segundo por segundo

m/s²

massa

quilograma

quilogramas

kg

massa específica

quilograma por metro cúbico

quilogramas por metro cúbico

kg/m³

vazão

metro cúbico por segundo

metros cúbicos por segundo

m³/s

quantidade de matéria

mol

mols

mol

força

newton

newtons

N

pressão

pascal

pascals

Pa

trabalho, energia quantidade de calor

joule

joules

J

potência, fluxo de energia

watt

watts

W

corrente elétrica

ampère

ampères

A

carga elétrica

coulomb

coulombs

C

tensão elétrica

volt

volts

V

resistência elétrica

ohm

ohms

condutância

siemens

siemens

S

capacitância

farad

farads

F

temperatura Celsius

grau Celsius

graus Celsius

°C

temp. termodinâmica

kelvin

kelvins

K

intensidade luminosa

candela

candelas

cd

fluxo luminoso

lúmen

lúmens

lm

iluminamento

lux

lux

lx

Algumas unidades em uso com o SI, sem restrição de prazo

Grandeza

Nome

Plural

Símbolo

Equivalência

volume

litro

litros

l ou L

0,001 m³

ângulo plano

grau

graus

°

/180 rad

ângulo plano

minuto

minutos

´

/10 800 rad

ângulo plano

segundo

segundos

´´

/648 000 rad

massa

tonelada

toneladas

t

1 000 kg

tempo

minuto

minutos

min

60 s

tempo

hora

horas

h

3 600 s

velocidade angular

rotação por minuto

rotações por minuto

rpm

/30 rad/s

Algumas unidades fora do SI, admitidas temporariamente

Grandeza

Nome

Plural

Símbolo

Equivalência

pressão

atmosfera

atmosferas

atm

101 325 Pa

pressão

bar

bars

bar

10Pa

pressão

milímetro de mercúrio

milímetros de mercúrio

mmHg

133,322 Pa aprox.

quantidade de calor

caloria

calorias

cal

4,186 8 J

área

hectare

hectares

ha

10

força

quilograma- força

quilogramas- força

kgf

9,806 65 N

comprimento

milha marítima

milhas marítimas

1 852 m

velocidade

nós

(1852/3600)m/s



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1 resposta

  1. Muito bom e oportuno artigo. Somente uma correção: a última edição do SI em português redefine o nome de ângulo sólido como esferorradiano, diferentemente de esterradiano, como está indicado em figura inserida neste artigo.

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