|
|
A
l’heure actuelle, l’unité de masse reste la seule unité du système
international à être définie à partir d’un objet matériel que l’on
appelle le prototype international du kilogramme (P.I.K.).
Dans le système international d’unités le kilogramme occupe une place importante car il contribue
à
la définition de quatre unités de base sur les sept de ce système. Sa
stabilité est donc importante. Actuellement plusieurs laboratoires
dans le monde cherchent à construire une expérience qui pourrait
définir le kilogramme à partir de constantes fondamentales de la
nature. Dans sa session de 2011, la Conférence générale des poids et
mesures convient que le kilogramme devrait être redéfini en fonction de
la constante de Planck.
Le P.I.K. a la forme d’un cylindre de 39, 17
mm de hauteur et de diamètre. Il est constitué d’un alliage de 90% en
masse de platine et de 10% en masse d’iridium.
Montrez que la masse intervient dans la définition des unités de base du système international (SI)
suivantes : la mole, l’ampère et la candela.
La
mole est la quantité de matière d'un système contenant autant
d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 12 g de cerbone 12.
L'ampère
: intensité d'un courant qui, en traversant deux conducteurs
parallèles, distants de 1 mètre et théoriquement de longueur infinie,
exerce une force précise 0,2 millionième de newton par mètre entre les
deux conducteurs. Le newton est défini comme la force nécesaire pour accélérer 1 kilogramme à 1 m s-2.L'ampère est donc défini relativement à la masse.
La candela est
l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source émettant
un rayonnement monochromatique de fréquence 5,4 1014 Hz et dont l'intensité énergétique est 1 / 683 watt ( joule seconde-1) par stéradian. Le joule est défini comme ce qui est dépensé quand une force de un newton agit sur un mètre.
Quels inconvénients pratiques présente l’utilisation d’un objet matériel comme étalon de masse ?
Instabilité de la masse du prototype international.
Quels
sont les principaux phénomènes physico-chimiques qui peuvent affecter
la stabilité des étalons de masse au cours du temps ?
Oxydation
des métaux ; réactions chimiques aux solvants de nettoyage ;
accumulation de polluants sur les surfaces, usure lors des
manipulations et des nettoyages, phénomènes de surfaces ( adsorption /
désorption).
En déduire une série de critères de choix du matériau pour la fabrication d’un étalon de masse.
Homogénéité
( absence de porosité, de cavité ), résistance à la corrosion,
aux altérations chimiques, forte densité pour réduire la surface
active, dureté élevée ( état de surface avec une faible
rugosité), bonnes conductivités thermique et électrique, faible susceptibilité magnétique, coeficient de dilatation thermique assez faible. Le platine est le moins dilatable par la chaleur, le moins susceptible de s'altérer.
Quel
aurait été le meilleur candidat pour réaliser un prototype du
kilogramme ? Pourquoi cet élément n’a-t-il pas été choisi ?
Cuivre
: bonne tenue à l'oxydation, bonne conductivité électrique, masse
volumique assez élevée. Par contre métal dilatable et peu dur.
Le
fer ou l’argent sont nettement moins coûteux que le platine et plus
abondants que celui-ci. Pourquoi n’ont-ils pas été, à leur tour,
retenus ?
Le fer s'oxyde facilement à l'air ; l'argent est dilatable et pas assez dur.
Quels intérêts pourrait-il y avoir à ajouter de l’iridium dans le P.I.K. ?
Le
platine avec 10% en masse d'iridium présente une dureté supérieure au
platine pur.Toutes les autres propriétés requises sont conservées.
|
|
|
Calculer la masse volumique du P.I.K.
Masse volumique du platine : r Pt = 21,45 103 kg m-3 ; de l'irridium : r Ir = 22,56 103 kg m-3 .
(0,1 *22,56 +0,9*21,45) 103 =21,56 103 kg m-3 .
Parmi les phénomènes cités ci-dessus, lesquels seront limités si la masse volumique du P.I.K. est élevée ?
La surface active era la plus faible possible :
altérations chimiques , usures mécaniques lors des manipulations ou du nettoyage.
Quelle
forme devrait adopter le P.I.K. pour réduire encore l’influence de ces
phénomènes ? Pourquoi n’a-t-elle finalement pas été adoptée ?
La sphère parfaite est difficle à réaliser et à manipuler.
Doit-on utiliser à un matériau possédant des conductivités électrique et thermique élevées ou faibles ?
Bonne conductivité électrique afin d'éviter l'accumulation des charges électrostatiques.
Bonne conductivité
thermique et faible coefficient de dilatation pour bien connaître le
volume de l'étalon et minimiser les effets dus aux contrôle de
température.
|