Kilogram (symbol: kg) jest podstawową jednostką masy w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar (SI). Jest powszechnie stosowany w nauce, inżynierii i handlu na całym świecie.

Definicja

Historycznie kilogram bywał opisywany jako przybliżona masa jednego litra wody, jednak w praktyce było to tylko przybliżenie zależne od temperatury i ciśnienia. Od 20 maja 2019 roku kilogram został zdefiniowany w sposób dokładny i trwały poprzez ustalenie wartości stałej Plancka. W wyniku tej redefinicji wartość stałej Plancka została przyjęta jako stała dokładna:

h = 6,62607015×10-34 kg·m2·s-1

W tej definicji kilogram jest powiązany z sekunda i metr — czyli z jednostkami czasu i długości — poprzez dokładnie ustaloną wartość h. Dzięki temu jednostka masy nie zależy już od materialnego wzorca (takiego jak prototyp), lecz od stałej fizycznej.

Wartość i przeliczenia

  • 1 kilogram (1 kg) = 1000 gramów (gram).
  • 1 tona = 1000 kilogramów (tona).
  • 1 kg ≈ 2,20462 funtów.

Przykład praktyczny: masa jednego litra wody przy temperaturze maksymalnej gęstości (około 3,98 °C, czyli 39,16 °F; 277,13 K) i przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym jest bliska 1 kg — stąd historyczny związek między litrem a kilogramem.

Historia

Krótki przegląd najważniejszych etapów:

  • 1795 — wprowadzono system metryczny w Francji; gram został zdefiniowany jako jedna tysięczna części kilograma, a kilogram powiązano z masą jednego litra wody.
  • 1889 — przyjęto Międzynarodowy Prototyp Kilograma (IPK), wykonany ze stopu platyny i irydu, jako materialny wzorzec jednostki masy przechowywany w BIPM (Międzynarodowe Biuro Miar) w Sèvres pod Paryżem.
  • XX–XXI w. — odkryto, że masy wzorców materialnych mogą się nieznacznie zmieniać (dryft), co skłoniło społeczność naukową do dążenia do redefinicji opartej na stałych fizycznych.
  • 2019 (20 maja) — na podstawie decyzji Generalnej Konferencji Miar (CGPM) kilogram został zdefiniowany poprzez stałą Plancka; materialny prototyp nie jest już definicją jednostki.

Nowa definicja i realizacje praktyczne

Po ustaleniu dokładnej wartości stałej Plancka realizacja kilograma w laboratoriach odbywa się głównie dwiema metodami:

  • Waga Kibble’a (Kibble balance) — urządzenie porównujące siłę elektromagnetyczną z siłą grawitacyjną działającą na masę; pozwala wyznaczyć masę w oparciu o pomiary związane z układami elektrycznymi i ustaloną wartością h.
  • Metoda atomowa (sfera krzemowa) — polegająca na zliczaniu atomów w monokrystalicznej sferze krzemu o bardzo znanej strukturze krystalicznej (projekt Avogadro); daje niezależną realizację jednostki masy przez określenie liczby atomów odpowiadających określonej masie.

Uwagi praktyczne

W codziennym użyciu kilogram nadal pełni tę samą rolę co wcześniej — jako podstawowa jednostka masy. Warto jednak pamiętać o różnicy między masą a ciężarem: masa jest miarą ilości materii (niezależną od pola grawitacyjnego), a ciężar to siła wynikająca z działania pola grawitacyjnego na masę (zmienna w zależności od przyspieszenia grawitacyjnego).

Alternatywne definicje

Przez lata proponowano także inne koncepcje zdefiniowania kilograma, na przykład przez określenie liczby atomów konkretnego izotopu w danej próbce przy określonej temperaturze. Wszystkie te propozycje miały na celu osiągnięcie jak największej powtarzalności i niezależności jednostki od pojedynczych materialnych wzorców.

Podsumowanie: od 2019 roku kilogram jest jednostką zdefiniowaną w sposób trwały i precyzyjny poprzez wartość stałej Plancka, a jego praktyczne realizacje uzyskuje się m.in. za pomocą wag Kibble’a oraz metod atomowych.