Unidades SI

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Porquê um sistema internacional de unidades?

As primeiras medições dignas desse nome feitas pelo homem diziam respeito ao tamanho das terras de cultivo de cada família. O principio por detrás desta necessidade era a necessidade que cada um tinha de garantir que o fruto do seu trabalho serviria para alimentar a sua boca e a dos seus. Podemos assim dizer que as primeiras medidas feitas com algum rigor diziam respeito a comprimentos.

Com o evoluir da sociedade, surgiu a necessidade de medir outras grandezas. Com o comercio tornou-se necessário medir a massa dos alimentos e bens a transaccionar. O tempo começou a ficar mais curto: em vez das estações e dos anos, passamos a dar importância aos dias especiais, às oras de acordar e recolher, ao minuto a que partem os comboios e, hoje em dia, muitas profissões já têm procedimentos que obrigam a uma sincronização ao segundo de várias pessoas.

Unidades e grandezas fundamentais.

As três grandezas mais comuns na física clássica são o comprimento (L), a massa (M) e o tempo (T). Para além destas três, é normal usar-se uma outra, a temperatura, chamada de temperatura termodinâmica (Θ). Na química, acrescentamos a estas grandezas uma outra, que nos permita contar grandes unidades discretas, como átomos, partículas ou fotões: é a quantidade de matéria (N).

O estudo dos fenómenos eléctricos e magnéticos introduz a noção de carga de uma partícula. Durante muito tempo discutiu-se se a grandeza fundamental para o electromagnetismo devia ser a carga ou a intensidade de corrente. Finalmente, nas últimas revisões do Sistema Internacional, a grandeza fundamental no estudo destes fenómenos é a intensidade de corrente (I).

O sistema SI ainda contempla uma outra grandeza fundamental, chamada intensidade luminosa, a qual tem caído um pouco em desuso.

Comprimento

O comprimento (L) é uma grandeza relativamente fácil de explicar. É uma medida do espaço (normalmente em linha recta) que dista entre dois pontos. A sua unidade fundamental é o metro (m). Tal como a maior parte das unidades SI, o metro foi primeiramente criado nos tempos da revolução francesa. Originalmente, foi calculado que seria a décima milionésima parte de um quarto do meridiano terrestre. Para Isso, foram necessários vários anos de medidas precisas. No fim das quais, se fixou o comprimento do metro numa barra de platina-irídio, mantida a 0ºC. Aconteceu, no entanto, que mais tarde se veio a descobrir que a barra, era, na verdade umas décimas de milímetro mais curta do que o suposto (ou a Terra seria umas décimas de milímetro maior), mesmo assim, decidiu-se fixar o metro como sendo a medida entre os dois entalhes da barra metálica.

Como podemos adivinhar, não era muito conveniente estar sempre a aferir metros pelo padrão de Paris, pelo que mais tarde o metro veio a ser definido como um múltiplo do comprimento de onda da risca vermelha do espectro de emissão do crípton. Hoje em dia, o metro está definido como o espaço que a luz percorre em 1/299792458 de segundo.

Massa

A massa (M) é uma grandeza mais estranha do que aquilo que possa parecer à primeira vista. A definição mais simples será qualquer coisa deste tipo: se dois corpos equilibrarem os braços de uma balança de dois braços assente num ponto da Terra onde a aceleração da gravidade seja uniforme, então esses corpos têm a mesma massa.

uma balanca equilibrada
Numa balança de dois braços, dois corpos com a mesma massa, mantêm-na em equilíbrio.

O quilograma (kg) é a unidade de massa no sistema SI. Está definida como sendo a massa de um cilindro de platina-irídio, o qual, supostamente, terá a mesma massa que um litro de água a 4ºC (mais uma vez, as contas iniciais dos franceses, estavam erradas). Ao contrário das outras unidades, ainda não se conseguiu chegar a um método capaz de competir com a precisão do cilindro de platina de Paris, pelo que, volta e meia, duas pessoas de cada país vão a Paris segundando com as 4 mãos no quilograma padrão da sua terrinha, para poderem aferir o padrão nacional pelo padrão internacional. Isto faz-me perguntar se os franceses usam um padrão nacional próprio ou servem-se mesmo do internacional?

Tempo

O tempo (T) é uma grandeza importante, tanto pelo seu significado físico, como pelo seu impacto em termos sociais e humanos. A unidade SI do tempo é o segundo (s). O segundo era inicialmente 1/60 do minuto, o qual era 1/60 da hora, a qual era 1/24 do período de rotação da Terra. Hoje em dia, o segundo vale 9192631770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133. Ou seja, é o tempo que demoram 9192631770 períodos da linha azul do césio. O minuto, a hora e o dia, agora são expressas como sendo 60, 60x60 e 60x60x24 segundos, respectivamente.

Temperatura termodinâmica

A temperatura termodinâmica (Θ) é outra grandeza esquisita. Em parte está relacionada com a velocidade médias das partículas de um gás, mas como causa, não consequência. A sua unidade é o kelvin (K) e está definido como 1/273.15 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água (as condições de pressão e temperatura em que a água existe nos três estados físicos: sólido, líquido e gás).

Ao definir assim o kelvin, a sua amplitude é a mesma que a do grau Celsius (ºC), mudando apenas o zero da escala. Isto significa que uma temperatura absoluta medida em kelvin é obtida somando 273.16 à temperatura absoluta em graus Celsius. Por outro lado, como a amplitude do kelvin é a mesma que a do grau Celcius, uma diferença de temperatura expressa tem o mesmo valor numérico, quer esteja expressa em kelvin, ou em graus Celsius.

Termometro com escala em ºC e em kelvin
A única diferença entre a escala de temperatura em graus Celcius e a temperatura medida em kelvin é apenas o zero da escala. A amplitude da escala (o espaço entre os traços do termómetro) permanece o mesmo.

Quantidade de matéria

A quantidade de matéria, (N) tem por unidade a mole (mol). Um sistema tem uma mole de entidades (átomos, moléculas, iões, fotões, etc...) se nele estiverem presentes tantas entidades quantos os átomos presentes em 0,012 kg de carbono 12.

A mole, é, no fundo, uma unidade de contagem: assim como uma dúzia são 12 unidades; um quarteirão são 25 e uma resma são 500, uma mole são 6,023x1023 unidades.

Intensidade de corrente eléctrica

A intensidade de corrente eléctrica(I) é a quantidade de cargas eléctricas que passam por segundo num dado ponto ou superfície. A sua unidade no sistema SI é o ampere (A), o qual se encontra definido como a corrente eléctrica que passa em dois condutores paralelos, rectilíneos com secção circular desprezável e de comprimento infinito, colocados no vazio à distância de um metro, produzindo entre eles uma força de 2x10-7 N/m (newtons por metro).

Intensidade luminosa

A intensidade luminosa (l) é uma grandeza fundamental, que, na maior parte das aplicações se vê substituída por uma derivação da potência de um emissor luminoso (lâmpada, velas, Sol, estrelas, etc). A unidade de intensidade luminosa no sistema SI é a candela (cd),a aqual se encontra definida como sendo a intensidade luminosa, numa dada direcção, de uma fonte que emite radiação de frequência 540x1012 Hz e cuja intensidade energética nessa direcção é 1/683 W/sr (watts por esterradiano).

Múltiplos e Submúltiplos

Nem sempre é confortável trabalhar com a ordem de grandeza das unidades SI. Para resolver este problema, podemos recorrer à notação científica, ou então usar os múltiplos e submúltiplos que fazem parte do sistema internacional. Colocar o prefixo corresponde a multiplocar a unidade de base pelo respectivo facto, conforme consta da tabela:

Factor Prefixo Símbolo
1015 peta P
1012 tera T
109 giga G
106 mega M
103 quilo k
102 hecto h
101 deca da
10-1 deci d
10-2 centi c
10-3 mili m
10-6 micro μ
10-9 nano n
10-12 pico p
10-15 fento f

Assim, dizer 24 mm (vinte e quatro milímetros) é o mesmo que dizer 24x10-3 m. Do mesmo modo, 25Ms (vinte e cinco megasegundos) são 25x106 s. Uma vez que o quilograma já possui o prefixo quilo, as unidades de massa no sistema SI têm um sistema próprio, baseado no grama, o qual se encontra na tabela abaixo.

Massa Nome Símbolo
1012 kg petagrama Pg
109 kg teragrama Tg
106 kg gigagrama Gg
103 kg megagrama, ou tonelada Mg ou T
10-1 kg hectagrama hg
10-2 kg decagrama dag
10-3 kg grama (masc.) g
10-4 kg decigrama dg
10-5 kg centigrama cg
10-6 kg miligrama mg
10-9 kg micrograma μg
10-12 kg nanogrma ng
10-15 kg picograma pg
10-18 kg fentograma fg