¡Listos para el nuevo Kelvin!
publicado en Actualidad metrología, Metrología
Con la determinación de la constante de Boltzmann, el PTB está preparando el terreno para redefinir la unidad de temperatura
En el presente, el kelvin está literalmente basado en nada más que agua – en el triple punto del agua, para ser más exactos. La unidad base de temperatura es por tanto dependiente de un material que puede variar. Pero esto está a punto de cambiar: En otoño de 2018 el kelvin, así como todas las otras unidades del Sistema Internacional de Unidades (SI), será redefinido con una sólida e invariable base que consiste en constantes fundamentales. El kelvin se basará en la constante de Boltzmann, la cual los científicos del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) han determinado por medio de un termómetro de gas dieléctrico-constante con tal precisión ha salvado todos los obstáculos a la redefinición de la unidad de temperatura, el kelvin. Los resultados han sido publicados en la actual edición de la revista especializada Metrología.
Actualmente, la definición kelvin del SI todavía está basada en las propiedades del agua: el punto triple. A una temperatura concreta, el agua puede encontrarse simultáneamente en estado sólido, líquido o gaseoso. De este modo y debido a que no hay 2 aguas iguales, el punto triple del agua depende de la composición isotópica del agua usada.
Aunque físicos de todo el mundo han llegado a un acuerdo sobre lo que se considera “Agua estándar”, esta situación está lejos de ser la ideal. Por eso el kelvin tiene el mismo problema que el kilogramo o el mol: Están basados en las propiedades de materiales llamados “prototipos” (Como el prototipo internacional del kilogramo, que es un cilindro hecho de una aleación de platino e iridio) o agua (como en el caso de kelvin). Todos estos materiales pueden variar de varios modos.
En no más de año y medio (en otoño de 2018 con toda probabilidad, el Sistema de Unidades (SI) se redefinirá al completo en una gran conferencia internacional. Desde entonces las unidades se basarán en constantes fundamentales – propiedades invariables del universo físico. Estas constantes serán la “medida de todas las cosas” en términos metrológicos.
La constante fundamental apropiada para las medidas de temperatura es la constante de Boltzmann kB. Esta indica como la energía térmica del gas. (Por ejemplo el movimiento de las partículas del gas) depende de la temperatura. En un recipiente cerrado, la energía Cinética puede medirse determinando la presión del gas. Esto puede hacerse (Con la requerida precisión) por un termómetro de gas acústico. Las medidas correspondientes realizadas en los institutos metrológicos de Inglaterra, Italia, Francia, China y los Estados Unidos, han alcanzado una incertidumbre de medida menor a 1 ppm (Una millonésima), cumpliendo así la primera condición establecida por el comité consultivo de termometría (CCT) para la redefinición del kelvin. Otra condición, sin embargo, estipula que un segundo método independiente alcance incertidumbres similares. Para este propósito, el PTB ha lanzado su termómetro de gas dieléctrico-constante que ha alcanzado 1,9 ppm lo cual cumple la precisión requerida.
Este termómetro especial explota el hecho de que el helio, como un gas raro y dieléctrico, cambia las capacidades eléctricas de un condensador. Por tanto es posible medir la densidad del helio en una presión dada mediante una medición eléctrica – así como mediante la densidad, para medir la temperatura. Además, la capacidad eléctrica de la medida puede ser concretada con gran precisión. En este caso, la incertidumbre de medida es solo de unas pocas partes por billón.
Aun así, para alcanzar tanta precisión, todo tuvo que estar perfectamente sincronizado: los científicos tuvieron que determinar las propiedades materiales de los condensadores a altas presiones (hasta 7 MPa) – rozando lo imposible -y asegurar que la pureza del gas usado fuera mejor que 99,99999%Además, el mejor patrón para las medidas en presión del PTB, el cual está basado en balanzas de presión, tuvo que ser mejorado. Estos desarrollos, únicos en el mundo sólo pudieron ser posibles gracias a varios proyectos cooperativos con PTB (Especialmente con 2 grupos de trabajo “Presión” y “Estándares geométricos”) y gracias a la cooperación internacional a gran escala.
Ahora que la constante de Boltzmann ha sido determinada con suficiente precisión mediante al menos 2 métodos independientes, CODATA calculará el valor final de kB en Septiembre de 2017. El “Grupo de trabajo en constantes fundamentales CODATA” es un grupo internacional de expertos cuya tarea es asegurar los valores de las constantes fundamentales medidas en institutos metrológicos por todo el mundo para estandarizar esos valores unos con otros. Esto allanará el camino para la redefinición del kelvin basado en una constante fundamental. Y en otoño de 2018 podemos esperar que el lema sea “¡Despejen el escenario para un nuevo SI!”.
Fuente: PTB
Foto: Christof Gaiser (Científico del PTB) con el núcleo del termómetro dieléctrico-constante. Los diferentes recipientes de presión metálicos tienen condensadores especiales llenos de helio para realizar la medición que tiene lugar dentro de ellos.
