Investigación sobre el kilogramo (Proyecto Avogadro)

[JPYamamoto]

Mediante una larga investigación, hemos conseguido información sobre el kilogramo. Desde la historia, las modificaciones que ha sufrido, los prototipos que lo han regulado, así como un posible futuro para esta unidad de medida, específicamente el Proyecto Avogadro y la Balanza de Watt.
Espero les interese y me puedan ayudar con algo de retroalimentación o algo para complementar.
Muchas gracias

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Introducción
En este trabajo, buscamos brindar una mayor información sobre el kilogramo, las modificaciones que ha sufrido, las referencias que tiene y ha tenido y su relación con varios conceptos de la Física.
También buscamos conocer más sobre los futuros cambios que se pueden dar en la definición y referencias de varias unidades de medida basadas, en este caso, en el kilogramo.


Definición de Kilogramo
Se conoce como kilogramo a una unidad de masa perteneciente al Sistema Internacional de Unidades. Equivale, de manera aproximada, a la masa de un cilindro de platino-iridio almacenado en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas ubicada en la ciudad francesa de París, también conocido como “Le Grand Kilo”.
Cabe resaltar que el kilogramo es la única unidad perteneciente al Sistema Internacional que aún toma como referencia un objeto físico.




Historia del Kilogramo
El inicio del concepto del kilogramo se remonta a unos años antes de la Revolución Francesa, cuando bajo el mandato del rey Luis XVI de Francia, una comisión que incluía al notable científico Antoine Lavoisier, definió la unidad base de masa, que fue conocida como el “Grave”, definida como el peso de un decímetro cúbico de agua a su temperatura de fusión, es decir, un litro de agua convertida en hielo. El nombre “grave” vino del latín “gravitas”, que significa peso.
Sin embargo, más tarde debido a la confusión que se llegaba a dar de la palabra “Grave” con el título nobiliario “Graf”, y a la revolución que tenía lugar en Francia, ya que no era conveniente tener una unidad de medida con un nombre más “noble”, en 1975 se decidió utilizar el “gram” como la unidad de masa, y se definió como la masa absoluta de un volumen de agua pura en su punto de fusión contenida en una centésima parte de un metro cúbico.
No obstante, eso no fue útil, ya que el comercio requería medidas demasiado grandes a comparación del “gram”, por lo que se decidió volver a utilizar el “grave”, pero evitando problemas, el nombre se cambió a “kilogram”, de donde viene nuestra actual unidad de medida. Por otro lado, también se cambió la definición en 1799, por lo que ahora en vez de usar la masa contenida en un decímetro cúbico en su punto de fusión, se utilizó agua a 3.98 °C, debido a que en esta temperatura, el agua tiene una densidad mayor.
Después de eso se presentó otro problema, que fue la presión atmosférica. La densidad del agua depende ligeramente de la presión, y la unidad de medida de la presión toma en cuenta a la masa, por lo que se produciría una interdependencia que no permitiría obtener una definición totalmente certera del kilogramo.
Por tal motivo se creó un cilindro de platino puro que tendría la misma masa que la cantidad de agua usada y fue declarado como el Kilogramo de los Archivos.
En 1889, se creó un nuevo patrón conocido como el Kilogramo Prototipo Internacional, que también es conocido como “Le Grand K” o “Gran K”, compuesto de una aleación de platino e iridio. Este se encuentra resguardado bajo tres campanas de cristal, junto a seis kilogramos hermanos, en una bóveda con clima controlado, asegurado por tres llaves independientemente controladas, en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, en Sèvres, París, Francia. Se realizaron 40 réplicas oficiales del prototipo del kilogramo, que tenían una masa un poco diferente al “Gran K”. Dichas réplicas se mandaron a distintos países alrededor del mundo para ser usados como sus estándares nacionales. En 1948, las réplicas fueron reunidas para ser pesadas, pero sus masas habían divergido, a pesar de estar hechas de la misma aleación y haber sido almacenadas bajo las mismas condiciones virtuales. Y 40 años más tarde, en 1988 sus masas habían divergido aún más, hasta aproximadamente 50 microgramos, que es el peso de una huella digital. Pero las huellas digitales no tenían la responsabilidad, debido a que las réplicas eran lavadas cuidadosamente antes de ser medidas. Por todo lo anteriormente mencionado, se puede llegar a la conclusión de que algún proceso físico debió haber alterado las masas de los cilindros. Algo es seguro, y es que la masa de un cilindro de platino-iridio no es estable a través del tiempo. Por esto se necesitaba eliminar la dependencia del kilogramo en un objeto físico y es en donde el Proyecto Avogadro aparece.


Proyecto Avogadro
A diferencia de algunas medidas físicas, como el tiempo o la longitud, el kilogramo es la única unidad del Sistema Internacional que se basa en una medida patrón. Dicho patrón se define como la masa que tiene el Kilogramo Prototipo Internacional.
El Proyecto Avogadro está encargado en la creación de un objeto muy simple con el cual se pueda recrear la definición del kilogramo, dejando de basarlo en un objeto físico.
El Proyecto Avogadro creó una esfera hecha de un solo isótopo de silicio-28 que tiene como masa exactamente un kilogramo. Lo que se trata de hacer es calcular cuántos átomos tiene dicha esfera, dado que se usa un material totalmente puro y sin huecos o dislocaciones.
Una vez conocida la estructura de la celda unitaria del silicio-28 y el diámetro de la esfera, entre otros datos, se puede calcular la cantidad de átomos que componen este objeto, para después definir el Número de Avogadro y transformar el Kilogramo en un concepto. El diámetro se obtiene mediante un láser que calcula la separación entre dos puntos del cuerpo.
La esfera actualmente tiene una forma casi perfecta. Un ejemplo de esto es que si esta pieza fuera escalada al tamaño de la Tierra, la distancia entre el punto con mayor altitud y el sitio más bajo, estaría separado por alrededor de 14 metros.
Al principio, el diámetro del objeto era 2 milímetros más grande, sin embargo, el nivel de excelencia que se ha logrado ha sido mediante el pulimento y uso de abrasivos que progresivamente han vuelto esta pieza en algo con un valor indeterminable, cuando al principio, su materia prima costó 1 millón de euros.
Un dato interesante es que debido a que los átomos tienen cargas, es imposible que uno toque a otro, ya que sus electrones se repelen. Debido a esto es que a un nivel atómico es imposible tocar un objeto y solo somos capaces de sostener cosas ya que ningún cuerpo es del todo liso, sin embargo, cuando algo como esta esfera de silicio-28 se encuentra tan precisamente moldeada, se vuelve algo difícil de sostener ya que esta se deslizará.
Este proyecto, no solo es importante para dejar de basar el kilogramo en un objeto físico con la capacidad de tener alteraciones a través del tiempo. También es importante ya que de las 7 unidades físicas fundamentales que existen en el Sistema Internacional, 4 de ellas tienen una definición estrictamente relacionada con la masa, incluyendo al kilogramo, al igual que todas las unidades de medida derivadas de estas.
En el Sistema Anglosajón o Inglés de Unidades, las variaciones que el Kilogramo puede sufrir también tienen un efecto, ya que la Libra Avoirdupois, que es su unidad de medida de masa, está definida como exactamente 0.45359237 kg. Por esto es que se puede decir que el Kilogramo afecta en ambos sistemas.

Número de Avogadro
El Número de Avogadro (NA) es una constante basada en el kilogramo que indica la cantidad átomos que se encuentran contenidos en un mol de cualquier elemento.
El mol es una unidad básica del Sistema Internacional de Unidades que indica la cantidad de sustancia y sirve para hacer conversiones entre los gramos y la Masa Atómica (ma) de cada elemento en la tabla periódica. Un mol expresa la cantidad de unidades elementales equivalentes a 12 gramos de un isótopo de Carbono-12.
El número de Avogadro es de vital importancia para este proyecto, ya que lo que este busca no es modificar directamente la definición del kilogramo sino que, como el nombre del mismo proyecto dice, lo que se desea conseguir es obtener una cifra más acertada y perfeccionada del Número de Avogadro, buscando una inexactitud relativa máxima de 2*10^-8. A partir de esto, se podría formular la nueva definición del kilogramo, basándola en un concepto y abandonando la dependencia del objeto físico.

Balanza de Watt
La Balanza de Watt es un dispositivo, diseñado para redefinir la masa en función de la física fundamental y de los patrones cuánticos.
Mide la fuerza necesaria para equilibrar un prototipo con una masa de 1 kilogramo, así como los valores de dos magnitudes eléctricas.
Una masa de prueba de un kilogramo se coloca en el plato de una balanza que está conectada a una bobina de cobre, la cual envuelve a un electroimán superconductor. Si se envía corriente eléctrica a través de la bobina, entonces, como en un motor eléctrico, se producen fuerzas electromagnéticas para igualar el peso de la masa de prueba. El dispositivo mide esta corriente y fuerza. La bobina también se puede mover verticalmente, e igual que en un generador eléctrico, esto induce un voltaje. La velocidad y el voltaje de la bobina se miden también. Estas cuatro medidas determinan la relación entre la potencia mecánica y eléctrica, la cual puede ser combinada con otras propiedades fundamentales de la naturaleza para así redefinir el kilogramo.

[JPYamamoto]

Una duda, cuándo dejó de usarse la K (mayúscula) para representar el kilogramo, y comenzó a usarse la k (minúscula)?
Gracias

[alfre2]

"contenida en una centésima parte de un metro cúbico."

Así expresado es el equivalente de 10 litros. Creo que debería decir: " contenida en un centímetro cubico" o "contenida en la centésima parte de un metro al cubo"