1.7: Pomiar: Jednostki standardowe

Każdy pomiar dostarcza trzech rodzajów informacji: rozmiaru lub wielkości pomiaru (liczby), standardu porównania dla pomiaru (jednostka) oraz wskazania niepewności pomiaru. Podczas gdy liczba i jednostka są wyraźnie reprezentowane, gdy zapisywana jest wielkość, niepewność jest aspektem błędów w wynikach pomiarów.

Liczba w pomiarze może być reprezentowana na różne sposoby, w tym w formie dziesiętnej i notacji naukowej, która jest również znana jako notacja wykładnicza. Na przykład maksymalna masa startowa samolotu pasażerskiego Boeing 777-200ER wynosi 298 000 kilogramów, co można również zapisać jako 2,98 × 10⁵ kg. 

Jednostki, takie jak litry, funty i centymetry, są standardami porównawczymi pomiarów. 2-litrowa butelka napoju bezalkoholowego zawiera objętość napoju dwukrotnie większą niż dopuszczalna objętość 1 litra. Bez jednostek liczba może być bez znaczenia, myląca lub potencjalnie zagrażająca życiu. Załóżmy, że lekarz przepisuje fenobarbital w celu kontrolowania napadów padaczkowych pacjenta i podaje dawkę “100” bez określania jednostek. Nie tylko będzie to mylące dla lekarza podającego dawkę, ale konsekwencje mogą być tragiczne: 100 mg podawane trzy razy dziennie może być skuteczne jako lek przeciwdrgawkowy, ale pojedyncza dawka 100 g to ponad 10 razy więcej niż śmiertelna ilość.

Międzynarodowy układ jednostek miar (SI Units)

Jednostki miary dla siedmiu podstawowych właściwości (“jednostek podstawowych”): długość, masa, czas, temperatura, prąd elektryczny, ilość substancji i natężenie światła, zostały ustalone przez umowę międzynarodową. Nazywa się je Międzynarodowym Układem Jednostek Miar lub Jednostkami SI. Jednostki dla innych właściwości mogą być wyprowadzone z tych siedmiu jednostek podstawowych. Codzienne jednostki miary są często definiowane jako ułamki lub wielokrotności innych jednostek. Mleko jest zwykle pakowane w pojemniki o pojemności 1 galona (4 kwarty), 1 kwarty (0,25 galona) i jednego litra (0,5 litra). To samo podejście jest używane w przypadku jednostek SI, ale te ułamki lub wielokrotności są zawsze potęgami liczby 10. Ułamkowe lub wielokrotne jednostki SI są nazywane za pomocą przedrostka i nazwy jednostki podstawowej. Na przykład długość 1000 metrów jest również nazywana kilometrem, ponieważ przedrostek kilo oznacza “tysiąc”, co w notacji naukowej wynosi 10³ (1 kilometr = 1000 m = 10³ m).

Standardowe jednostki SI

Początkowe jednostki systemu metrycznego, który ostatecznie przekształcił się w system SI, powstały we Francji podczas rewolucji francuskiej. Pierwotne normy dla miernika i kilograma zostały tam przyjęte w 1799 roku, a ostatecznie przez inne kraje. Poniżej znajdują się cztery podstawowe jednostki SI powszechnie używane w chemii.

1. Długość

Standardową jednostką długości w układzie SI jest metr (m). Metr definiuje się jako odległość, jaką światło pokonuje w próżni w ciągu 1/299 792 458 sekundy. Większe odległości są często podawane w kilometrach (1 km = 1000 m = 10³ m), podczas gdy krótsze odległości można podawać w centymetrach (1 cm = 0,01 m = 10⁻² m) lub milimetrach (1 mm = 0,001 m = 10⁻³ m).

2. Masa

Standardową jednostką masy w układzie SI jest kilogram (kg). Kilogram definiuje się przez masę obiektu referencyjnego – metalowego cylindra wykonanego ze stopu platyny i irydu o wysokości i średnicy 39 mm. Mówi się, że każdy obiekt o tej samej masie co to odniesienie ma masę 1 kilograma. Gram (g) jest dokładnie równy 1/1000 masy kilograma (10⁻³ kg).

Termin “waga” jest często używany zamiennie z terminem “masa”. Jednak te dwie wielkości są różne. Podczas gdy masa obiektu mierzy ilość materii w jego wnętrzu, jego waga mierzy siłę grawitacji wywieraną na jego materię. Na przykład, gdybyśmy mogli zważyć się na Księżycu, który ma słabszą grawitację niż Ziemia, ważylibyśmy mniej niż na Ziemi. Jednak masa – ilość materii w naszym ciele – pozostałaby taka sama.

3. Temperatura

Jednostką temperatury w układzie SI jest kelwin (K), chociaż stopień Celsjusza (°C) jest również dozwolony w układzie SI, przy czym zarówno słowo “stopień”, jak i symbol stopnia są używane do pomiarów w stopniach Celsjusza. Stopnie Celsjusza są tej samej wielkości co kelwiny, ale obie skale umieszczają swoje zera w różnych miejscach. Woda zamarza w temperaturze 273,15 K (0 °C) i wrze w temperaturze 373,15 K (100 °C) z definicji, a normalna temperatura ciała człowieka wynosi około 310 K (37 °C). Skala Fahrenheita (°F) to kolejna powszechnie używana jednostka do pomiaru temperatury. W skali Fahrenheita woda zamarza w temperaturze 32 ° F i wrze w temperaturze 212 ° F, a normalna temperatura ciała człowieka wynosi 96 ° F. 

Podczas gdy skale Fahrenheita i Celsjusza dopuszczają ujemne temperatury, skala Kelvina, zwana również skalą bezwzględną, nie. W skali Kelvina 0 K to najniższa temperatura, która jest znana jako zero bezwzględne. 

Skale temperatury są wymienne przy użyciu następujących wzorów przeliczeniowych:

4. Czas

Podstawową jednostką czasu w układzie SI jest sekunda (s). Małe i duże przedziały czasowe mogą być wyrażone za pomocą odpowiednich prefiksów. Na przykład: 

Alternatywnie można użyć godzin, dni i lat.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 1.4: Pomiary.