Back to chapter

1.7:

מדידה: יחידות סטנדרטיות

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Measurement: Standard Units

Languages

Share

במדע, מדידה היא ייחוס של ערך מספרי למאפיין כמו מסה, גודל או טמפרטורה של חומר. כל מדידה מספקת שני סוגי מידע. הראשון הוא המספר, הגודל או הכמות של מהמדידה.השני הוא הוא יחידת המידה תקן ההשוואה למדידה. כך, כשמים רותחים ב-100 מעלות צלזיוס, המספר 100 מייצג את הכמות המדידה, ומעלות צלזיוס מייצגת את יחידת המידה. יחד הן מסמלות את הגודל היחסי של התכונה בחומר הנבחן נקודת הרתיחה.בלי יחידה, המספר יהיה חסר משמעות או מבלבל. לדוגמה, אם הגובה של מגדל אייפל ידווח כ-300, ללא יחידת המידה, ההקשר של המספר 300 לא יהיה ברור. זה אומר שמגדל אייפל עשוי להיות גבוה יחסית, או נמוך יחסית…אך ללא יחידות מידה להשוואה, קשה להעריך.לעיתים צורת מידע שלישית, שגיאת מדידה מסופקת גם. נתון זה הוא סימן לחוסר הודאות הקיים למדידה. לכן, כדי למדוד ולתעד את התכונות השונות של חומרים באופן מדויק, פותחו מערכות מדידה מוסכמות.מערכת היחידות הבינלאומית, SI, משמשת מדענים בכל העולם. במערכת SI הוגדרו יחידות מידה לשבע תכונות בסיסיות:אורך, מסה, זמן, טמפרטורה, זרם חשמלי, כמות החומר ועוצמת ההארה. תכונות אלה נקראות יחידות הבסיס.מתוכן, יחידות הבסיס של ארבע התכונות הראשונות הן הנפוצות ביותר בכימיה. יחידת הבסיס לאורך במערכת הSI היא מטר, המיוצג בסימן m‪מרחקים גדולים יותר נרשמים לרוב בקילומטרים, או ק”מ, כשקילומטר אחד שווה לאלף מטרים. לעומת זאת, מרחקים קצרים יותר ניתן לרשום בסנטימטרים, או ס”מ, כשסנטימטר אחד שווה ל-0.01 מטרים.או במילימטרטרים, מ”מ, כאשר מילימטר אחד שווה ל-0.001 מטרים. בדומה לכך, יחידת הבסיס למסה במערכת SI היא קילוגרם, אשר מיוצגת בסימן kg‪קילוגרם שווה לאלף גרם. טמפרטורה היא תכונה בסיסית נוספת, הנמדדת ביחידת הSI קלווין ומיוצגת על ידי האות הגדולה K‪ערך זה נרשם ללא המילה מעלות”או הסימן המקובל למעלות, כדי להבדילו מיחידות צלזיוס ופארנהייט.לדוגמה, מים רותחים ב-373.15K, והטמפרטורה התקינה של גוף האדם היא 310K בקירוב. יחידת הבסיס הרביעית השכיחה לשימוש היא שנייה, יחידת הזמן של SI, המיוצגת על ידי האות s‪בעוד שפרקי זמן קצרים נרשמים במילי-שניות, כשמילי-שנייה אחת שווה ל-0.001 שניות, פרקי זמן ארוכים יותר נרשמים במגה-שניות, כשמגה-שנייה אחת שווה למיליון שניות. לחלופין, גם ביחידות שאינן חלק ממערכת SI, כמו שעות, ימים ושנים נעשה שימוש.

1.7:

מדידה: יחידות סטנדרטיות

Every measurement provides three kinds of information: the size or magnitude of the measurement (a number), a standard of comparison for the measurement (a unit), and an indication of the uncertainty of the measurement. While the number and unit are explicitly represented when a quantity is written, the uncertainty is an aspect of the errors in the measurement results.

The number in the measurement can be represented in different ways, including decimal form and scientific notation, which is also known as exponential notation. For example, the maximum take-off weight of a Boeing 777-200ER airliner is 298,000 kilograms, which can also be written as 2.98 × 105 kg. 

Units, such as liters, pounds, and centimeters, are standards of comparison for measurements. A 2-liter bottle of a soft drink contains a volume of beverage that is twice that of the accepted volume of 1 liter. Without units, a number can be meaningless, confusing, or possibly life-threatening. Suppose a doctor prescribes phenobarbital to control a patient’s seizures and states a dosage of “100” without specifying units. Not only will this be confusing to the medical professional giving the dose, but the consequences can be dire: 100 mg given three times per day can be effective as an anticonvulsant, but a single dose of 100 g is more than 10 times the lethal amount.

The International System of Units (SI Units)

The measurement units for seven fundamental properties (“base units”): length, mass, time, temperature, electric current, amount of substance, and luminous intensity, have been fixed by international agreement. They are called the International System of Units or SI Units. Units for other properties may be derived from these seven base units. Everyday measurement units are often defined as fractions or multiples of other units. Milk is commonly packaged in containers of 1 gallon (4 quarts), 1 quart (0.25 gallons), and one pint (0.5 quarts. This same approach is used with SI units, but these fractions or multiples are always powers of 10. Fractional or multiple SI units are named using a prefix and the name of the base unit. For example, a length of 1000 meters is also called a kilometer because the prefix kilo means “one thousand,” which in scientific notation is 103 (1 kilometer = 1000 m = 103 m).

Standard SI Units

The initial units of the metric system, which eventually evolved into the SI system, were established in France during the French Revolution. The original standards for the meter and the kilogram were adopted there in 1799 and eventually by other countries. The following are the four SI base units commonly used in chemistry.

1. Length

The standard unit of length in the SI system is the meter (m). A meter is defined as the distance light travels in a vacuum in 1/299,792,458 of a second. Longer distances are often reported in kilometers (1 km = 1000 m = 103 m), whereas shorter distances can be reported in centimeters (1 cm = 0.01 m = 10−2 m) or millimeters (1 mm = 0.001 m = 10−3 m).

2. Mass

The standard unit of mass in the SI system is the kilogram (kg). A kilogram is defined by the mass of a reference object – a metal cylinder made from platinum-iridium alloy with a height and diameter of 39 mm. Any object with the same mass as this reference is said to have a mass of 1 kilogram. The gram (g) is exactly equal to 1/1000 of the mass of the kilogram (10−3 kg).

The term “weight” is often used interchangeably with “mass.” However, the two quantities are different. While the mass of an object measures the quantity of matter within it, its weight measures the gravitational force exerted on its matter. For instance, if we could weigh ourselves on the moon, which has weaker gravity than Earth, we would weigh less than we did on Earth. However, mass—the quantity of matter in our body—would stay the same.

3. Temperature

The SI unit of temperature is the kelvin (K), although the degree Celsius (°C) is also allowed in the SI system, with both the word “degree” and the degree symbol used for Celsius measurements. Celsius degrees are the same magnitude as those of kelvin, but the two scales place their zeros in different places. Water freezes at 273.15 K (0 °C) and boils at 373.15 K (100 °C) by definition, and normal human body temperature is approximately 310 K (37 °C). The Fahrenheit (°F) scale is another commonly used unit for measuring temperature. On the Fahrenheit scale, water freezes at 32 °F and boils at 212 °F, and the normal human body temperature is 96 °F. 

While Fahrenheit and Celsius scales allow for negative temperatures, the Kelvin scale, also called the absolute scale, does not. On the Kelvin scale, 0 K is the lowest temperature, which is known as absolute zero. 

The temperature scales are interconvertible using the following conversion formulas:

Eq1

Eq2

4. Time

The SI base unit of time is the second (s). Small and large time intervals can be expressed with the appropriate prefixes. For example: 

Eq3

Eq4

Alternatively, hours, days, and years can be used.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 1.4: Measurements.