Inmetro - Jornal Na Medida

Edição 15 - novembro de 2018

A redefinição das unidades do Sistema Internacional, o SI.

HUMBERTO BRANDI
Diretor de Metrologia Científica e Tecnologia

Alex Assis

A 26a Conferência Internacional de Pesos e Medidas, CGPM, reunida em Versailles, de 13 a 16 de novembro de 2018, deverá aprovar uma importante mudança no SI. A nova estrutura proposta incorpora ao SI uma diferença fundamental, pois embora as Unidades de Base permaneçam as mesmas, todas serão definidas em termos de constantes da natureza.Isto significa que, atualmente, o SI é estruturado a partir da definição das Unidades de Base: o segundo, s, o metro, m, o kilograma, kg, o ampere, A, o kelvin, K, o mol, mol e a candela, cd.

Unidade	Definição
segundo	O segundo 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”.-1968. : Essa definição se refere a um átomo de césio em repouso, a uma temperatura de 0 K.-
metro	O metro é o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1/299 792 458 de segundo
kilograma	O kilograma é a unidade de massa; ele é igual à massa do protótipo internacional do kilograma
ampere	O ampere é a intensidade de uma corrente elétrica constante que, se mantida em dois condutores paralelos, retilíneos, de comprimento infinito, de seção circular desprezível, e situados à distância de 1 metro entre si, no vácuo, produz entre estes condutores uma força igual a 2 x 10-7 newton por metro de comprimento
kelvin	O kelvin, unidade de temperatura termodinâmica, é a fração 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água”. -1968. Em 2005-“Essa definição se refere à água com a composição isotópica definida exatamente pelas relações das seguintes quantidades de substância: 0,000 155 76 mol de 2H por mol 1H, 0,000 379 9 mol de 17O por mol de 16O e 0,002 005 2 mol de 18O por mol 16O”
mol	O mol é a quantidade de substância de um sistema que contém tantas entidades elementares quantos átomos existem em 0,012 kilograma de carbono 12; seu símbolo é “mol”.-1971.Em 1980, “Nesta definição, entende-se que se faz referência aos átomos não ligados de carbono 12, em repouso e no seu estado fundamental
candela	A candela é a intensidade luminosa, numa dada direção, de uma fonte que emite uma radiação monocromática de frequência 540 x 1012 hertz e que tem uma intensidade radiante nessa direção de 1/683 watt por esferorradiano

Sendo aprovada a mudança, a partir de 20 de maio de 2019, o SI terá sua estrutura baseada em sete constantes da natureza:

constante	Definição
∆νCs	A frequência do desdobramento hiperfino do átomo de césio 133, em repouso e à temperatura de 0 K, é igual a 9 192 631 770 Hz
c	a velocidade da luz no vácuo é igual a 299 792 458 m/s
h	a constante de Planck é igual a 6.626 070 15 × 10-34 Js
e	a carga elementar, é igual a 1.602 176 634 × 10-19 C.
kB	a constante de Boltzmann, é igual a 1.380 649 ×10-23 J/K.
NA	a constante de Avogadro é igual a 6.022 140 76 ×1023 mol-1
Kcd	a eficácia luminosa da radiação monocromática de frequência 540 ×1012 Hz, é igual a 683 lm/W
	hertz, joule, coulomb, lumen, e watt, cujos símbolos Hz, J, C, lm, e W, respectivamente, são relacionados às unidades segundo, metro, kilograma, ampere, kelvin, mol, e candela, com símbolos s, m, kg, A, K, mol, e cd, respectivamente. Onde, Hz = s -1 , J = m2 kg s -2 , C = s A, lm = cd m2m-2 = cd sr, e W = m2 kg s -3 .

A partir destas constantes, as unidades de base passam então a ser definidas como:

Unidade	Definição
segundo	símbolo, s, é a unidade de tempo; seu valor é obtido fixando-se o valor numérico da frequência do desdobramento hiperfino do átomo de césio 133, em repouso e à temperatura de 0 K, ∆νCs, exatamente igual a 9 192 631 770 quando expressa em unidades do SI, s -1 , que é igual ao Hz,
metro	símbolo, m, é a unidade de comprimento; seu valor é obtido fixando-se o valor numérico da velocidade da luz no vácuo, c, exatamente igual a 299 792 458 quando expressa em unidades do SI, ms-1 ,
kilograma	símbolo kg, continuará a ser a unidade de massa, mas seu valor será estabelecido fixando-se o valor numérico da constante de Planck exatamente igual a 6.626 070 15 × 10-34 quando expresso em unidades do SI, m2kgs-1 , que é igual a joule segundo (Js),
ampere	símbolo A, continuará a ser a unidade de corrente elétrica, mas seu valor será estabelecido fixando-se o valor numérico da carga elementar exatamente igual a 1.602 176 634 × 10-19quando expresso em unidades do SI, sA, que é igual a joule coulomb (C),
kelvin	símbolo K, continuará a ser a unidade de temperatura termodinâmica, mas seu valor será estabelecido fixando-se o valor numérico da constante de Boltzmann exatamente igual a 1.380 649 ×10-23 quando expresso em unidades do SI m2kg s -2 K-1 , que é igual a (J K-1),
mol	símbolo mol, continuará a ser a unidade de substância de uma entidade elementar especificada, que pode ser um átomo, molécula, ion, elétron, qualquer outra partícula ou um grupo especificado de tais partículas, mas seu valor será estabelecido fixando-se o valor numérico da constante de Avogadro exatamente igual a 6.022 140 76 ×1023 quando expresso em unidades do SI, mol-1 ,
candela	símbolo, cd, é a unidade de intensidade luminosa em uma dada direção; seu valor é obtido fixando-se o valor numérico da eficácia luminosa da radiação monocromática de frequência 540 ×1012 Hz, Kcd, exatamente igual a 683 quando expressa em unidades do SI, m2 kg-1 s -3 cd sr, ou s 3 cd srW-1

Das sete unidades de base atuais, apenas a definição do kilograma é associada a um objeto material. Por definição, “O kilograma é a unidade de massa; ele é igual à massa do protótipo internacional do kilograma” e “Conclui-se que a massa do protótipo internacional é sempre igual a 1 kilograma, exatamente, m (K) = 1 kg. Um aspecto indesejável do atual SI reside no fato das sete grandezas de base serem consideradas, por convenção, como independentes, quando na realidade elas não o são. De fato, a definição do metro incorpora o segundo; a definição do ampere incorpora o metro, o kilograma e o segundo; a definição do mol incorpora o kilograma; e a definição da candela incorpora o metro, o kilograma e o segundo.Porém, a maior preocupação com o atual SI provém da deriva sistemática dos protótipos do kilograma em relação ao international prototype of the kilogram, IPK. Quando IPK foi produzido, outras seis cópias oficiais, exatamente com as mesmas características, foram mantidas no BIPM. Em antecipação à planejada redefinição do kilograma, de janeiro de 2014 a janeiro de 2015, o Departamento de Massa do BIPM executou uma campanha de calibração destes protótipos em relação ao IPK. O IPK e suas seis cópias oficiais foram limpas e lavadas de acordo com o procedimento do BIPM. Como consequência, a unidade de massa “as maintened” (“como preservada”) do BIPM, nos últimos 22 anos derivou 35 μg do IPK. Esses resultados serão analisados posteriormente (Stock et al 2015). O que vai mudar com a redefinição das unidades?

kilograma

Definida fixando o valor da constante de Planck, h
Terá a mesma incerteza que hoje tem h
Poderá ser realizada por Balança de Watt/Kibble ou Método de Avogadro (XRCD)
As incertezas oferecidas aos clientes dos INMs não serão afetadas

ampere

Definida fixando o valor da carga fundamental do elétron e
As mudanças vão resultar pequenas nas unidades elétricas disseminadas
Na maioria dos casos não será necessário nenhuma mudança substancial, pois o volt vai mudar em cerca de 0,1 parte por milhão e o ohm menos do que isso
Nos INM poderá ser necessário fazer ajustes nas incertezas de medição

kelvin

Definida fixando o valor da constante de Boltzman, k
Não haverá efeitos imediatos nos procedimentos de medição de temperatura
Terá então a mesma incerteza que hoje tem k
A redefinição permitirá a introdução de futuras melhorias, especialmente em temperaturas extremas

mol

Definida em termos da constante de Avogadro, Na .
A rastreabilidade ao mol pode continuar sendo estabelecida pelo emprego de técnicas de medição de massa
Terá então a incerteza que hoje tem Na h
Os pesos atômicos não serão afetados e não serão necessárias mudanças nas práticas atuais

O que vai permanecer com a redefinição das unidades?

segundo

Continuará definida em termos de frequência de transição hiperfina do átomo de Césio 133
A cadeia de rastreabilidade não será afetada
A metrologia de tempo e frequência não será afetada

metro

Continuará definida em termos da velocidade da luz, c
As práticas de metrologia dimensional não serão afetadas

candela

Continuará definida em termos de Kcd (constante técnica para fotometria) e será CD ligada ao watt
A rastreabilidade à candela será estabelecida com as mesmas incertezas por meio de métodos radiométricos.

Do ponto de vista prático, as mudanças terão impacto nos NMIs e em todas as atividades que requerem incertezas da mesma ordem das que afetarão as unidades. No entanto, para o público em geral as mudanças serão imperceptíveis. Há, porém, uma importante diferença conceitual nas novas definições de unidades, pois todo aparato ou método capaz de medir uma das constantes do SI será também capaz de realizar a unidade a ela associada.Deste modo, o detentor do aparato possui o padrão da medida associada a esta unidade, com as suas incertezas. Como exemplo, podemos medir a constante de Planck, h, com a balança de Kibble a partir da massa do kilograma. Portanto, conhecendo o valor de h, podemos usar a balança de Kibble para medir a massa do kilograma.