1.7: Измерения: стандартные единицы

Каждое измерение предоставляет три вида информации: Размер или величина измерения (число), стандарт сравнения для измерения (единица измерения) и показатель неопределенности измерения. В то время как число и единица отображаются явным образом при записи количества, неопределенность является показателем ошибок в результатах измерения.

Число в измерении может быть представлено различными способами, включая десятичную форму и экспоненциальную форму, с оговоренным числом знаков после запятой. Например, максимальный взлётный вес авиалайнера Boeing 777-200ER составляет 298,000 килограммов, что также можно записать как 2.98× 10⁵ кг.  

Единицы измерения, такие как литры, фунты и сантиметры, являются эталонами для сравнения. 2-литровая бутылка безалкогольного напитка содержит в два раза больше напитка, чем 1 л. Без единиц, число может быть бессмысленным, запутанным или, возможно, опасным для жизни. Предположим, что врач предписывает фенобарбитал, чтобы контролировать приступы пациента’ и указывает дозировку “100” без указания единиц. Это не только сбивает с толку врача, администрирующего дозу, но и может привести к печальным последствиям: 100 мг, даемые три раза в день, могут быть эффективны, как противосудорожный препарат, но одна доза в 100 г более чем в 10 раз превышает смертельную дозу.

Международная система единиц (единицы СИ)

Единицы измерения для семи основных свойств (“базовые единицы”): длина, масса, время, температура, электрический ток, количество вещества и интенсивность света были закреплены международным соглашением. Они называются Международной системой единиц или единицами СИ. Единицы измерения для других свойств могут быть получены из этих семи базовых единиц. Привычные нам единицы измерений часто определяются как фракции или кратные другим единицам. Молоко обычно упаковывается в контейнеры емкостью 1 галлон (4 кварты), 1 кварта (0.25 галлонов) и одна пинта (0.5 кварты). Такой же подход используется с единицами СИ, но эти доли или числа всегда являются степенями 10. Дробные или множественные единицы СИ называются с помощью префикса и имени базовой единицы. Например, длина 1000 метров также называется километром, потому что префикс кило означает “тысячу,” что в научной записи составляет 10³ (1 километр = 1000 м = 10³ м).

Стандартные единицы СИ

Первоначальные единицы метрической системы, которые в конечном итоге превратились в систему СИ, были установлены во Франции во время Французской революции. Первоначальные стандарты для метра и килограмма были приняты там в 1799 году и, в конечном итоге, былиприняты и другими странами. Ниже приведены четыре базовых единицы СИ, которые обычно используются в химии.

1. Длина

Стандартная единица измерения длины в системе СИ - это метр (м). Измерительный прибор определяется как расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299,792,458 секунды. Большие расстояния часто даются в километрах (1 км = 1000 м = 10³ м), тогда как более короткие расстояния можно сообщить в сантиметрах (1 см = 0.01 м = 10⁻² м) или миллиметрах (1 мм = 0.001 м = 10⁻³ м).

2. Масса

Стандартная единица измерения массы в системе СИ — килограмм (кг). Килограмм определяется массой стандартного объекта — металлического цилиндра, изготовенного из платиноиридиевого сплава высотой и диаметром 39 мм. Любой объект с той же массой, что и этот стандарт, имеет массу 1 килограмм. Грамм (g) точно равен 1/1000 массы килограмма (10⁻³ кг).

Термин “вес” часто используется, как взаимозаменяемый с термином “масса.” Однако, эти два количества различаются. В то время как масса объекта измеряет количество вещества внутри него, его вес измеряет силу притяжения, приложенную к этому веществу. Например, если бы мы могли взвешивать себя на Луне, которая обладает более слабой гравитацией, чем Земля, мы бы весили меньше, чем мы весим на Земле. Однако масса – количество вещества в нашем теле – останется прежней.

3. Температура

Единица СИ для измерения температуры – кельвин (K), хотя градусы Цельсия (°C) также разрешены в системе СИ, при этом для измерений в градусах Цельсия используется слово “градус” и символ градуса. Градусы Цельсия являются такой же величиной, как и градусы Кельвина, но две шкалы размещает нули в разных местах. Вода замерзает при температуре 273.15 К (0 °C) и кипит при температуре 373.15 К (100 °C) по определению, а нормальная температура тела человека составляет приблизительно 310 К (37 °C). Шкала Фаренгейта (°F) является еще одной часто используемой единицей измерения температуры. На шкале Фаренгейта вода замерзает при 32 °F и кипит при 212 °F, а нормальная температура тела человека составляет 96 °F.  

В то время как градусы Фаренгейта и Цельсия допускают отрицательные температуры, шкала Кельвина, также называемая абсолютной шкалой, не позволяет этого. По шкале Кельвина, 0 K является самой низкой температурой, которая называется абсолютным нулем.  

Температурные шкалы взаимозаменяемы по следующим формулам преобразования:

4. Время

Базовая единица времени в СИ — секунда (с). Малые и большие временные интервалы можно выразить с помощью соответствующих префиксов. Например:  

В качестве альтернативы можно использовать часы, дни и годы.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2e, раздел 1.4: Измерения.

В науке измерение это присвоение числового значения такой характеристике, как масса, размер и температура вещества. Каждое измерение предоставляет два вида информации. Первый это число размер или величина измерения.

Второй единица измерений сравнительный эталон для измерения. Итак, когда вода кипит при температуре 100 градусов Цельсия, число 100 представляет величину измерения, а градус Цельсия представляет собой единицу измерения. Вместе они передают относительную величину рассматриваемого свойства вещества температуру кипения.

Без единиц измерения число может быть бессмысленным или сбивать с толку. Например, если высота Эйфелевой башни составляет 300, без указания единиц измерения, контекст этого числа 300 неясен. Это означает, что Эйфелева башня может быть относительно высокой или очень низкой.

но без единиц измерения для сравнения это затрудняет оценку. Иногда также предоставляется третья форма информации погрешность. Эти данные указывают на неточность измерения.

Таким образом, для точного измерения и определения различных свойств вещества были разработаны общие системы измерения. Международная система единиц или система СИ используется учеными повсеместно. В системе СИ установлены единицы измерения для 7 основных свойств длины, массы, времени, температуры, электрического тока, количества вещества и силы света.

Они называются стандартными или базовыми единицами измерения. Из них в химии чаще всего используются базовые единицы измерения для первых четырех свойств. Стандартной единицей длины в системе СИ является метр, представленный символом единицы измерения м"Большие расстояния часто указываются в километрах или км"где 1 километр равен 1000 метрам.

И наоборот, более короткие расстояния можно указывать в сантиметрах, см"где 1 сантиметр равен 0, 01 метра;или миллиметрах, мм"где 1 миллиметр равен 0, 001 метра. Точно так же стандартной единицей массы в системе СИ является килограмм, представленный символом единицы измерения кг"Килограмм равен 1000 граммов. Еще одним фундаментальным свойством является температура, для которой единица СИ кельвин, а символ единицы измерения К"в верхнем регистре.

Его пишут без слова градус"или символа градуса, чтобы отличить его от градусов Цельсия и градусов Фаренгейта. Например, вода закипает при 373, 15 К, а нормальная температура человеческого тела составляет примерно 310 К.Четвертая наиболее часто используемая базовая единица измерения секунда, единица времени СИ, символ единицы измерения с"В то время как более короткие временные интервалы могут быть выражены в миллисекундах, где 1 миллисекунда равна 0, 001 секунды, более длинные временные интервалы могут быть выражены в мегасекундах, где 1 мегасекунда равна 1 миллиону секунд. В качестве альтернативы также используются единицы, не относящиеся к системе СИ, такие как часы, дни и годы.