กิโลกรัม

กิโลกรัม อักษรย่อ กก.^[1] (อังกฤษ: kilogram : kg) เป็นหน่วยฐานของมวลตามระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ (ระบบเอสไอ) มีสัญลักษณ์หน่วยเป็น กก. ซึ่งเป็นหน่วยวัดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในทางวิทยาศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ และการค้าทั่วโลก นิยมเรียกย่อ ๆ ว่า กิโล^[2] ซึ่งแปลว่า "หนึ่งพันกรัม"

กิโลกรัม
ชุดตุ้มน้ำหนัก 5, 2, 1, 0.5 และ 0.2 กิโลกรัม ทำจาก เหล็กหล่อ
ข้อมูลทั่วไป
ระบบการวัด	หน่วยฐานเอสไอ
เป็นหน่วยของ	มวล
สัญลักษณ์	กก.
การแปลงหน่วย
1 กก. ใน ...	... มีค่าเท่ากับ ...
อาวัวร์ดูปัวส์	≈ 2.204622 ปอนด์[Note 1]
หน่วยอังกฤษ	≈ 0.0685 สลัก
หน่วย ซ.ก.ว.	1000 กรัม
หน่วยมวลอะตอม	6.02214076×1026 ดัลตัน

กิโลกรัมเป็นหน่วยฐานเอสไอ ที่นิยามโดยอาศัยหน่วยฐานอีกสองหน่วย คือ วินาที เมตร และค่าคงที่พลังค์ ซึ่งเป็นค่าคงที่ที่ใช้ในการนิยามระบบเอสไอ^[3] ห้องปฏิบัติการมาตรวิทยา (metrology laboratory) ที่มีอุปกรณ์ครบครันสามารถสอบเทียบเครื่องมือวัดมวล เช่น เครื่องชั่งคิบเบิล (Kibble balance) ให้เป็นมาตรฐานหลักสำหรับมวลกิโลกรัมได้^[4]

กิโลกรัม ถูกนิยามครั้งแรกในปี พ.ศ. 2338 ระหว่างการปฏิวัติฝรั่งเศส ว่ามีมวลเท่ากับน้ำหนึ่งลิตร นิยามปัจจุบันของกิโลกรัม ใกล้เคียงกับนิยามเดิมภายใน 30 ส่วนในล้านส่วน (30 parts per million) ต่อมาในปี พ.ศ. 2342 แท่งแพลตินัมที่เรียกว่า "กิโลกรัมเดส์อาร์ไคฟ์" (Kilogramme des Archives) ถูกนำมาใช้เป็นมาตรฐานของมวลแทน ในปี พ.ศ. 2432 แท่งทรงกระบอกทำจากแพลทินัม-อิริเดียม ซึ่งเรียกว่า "ต้นแบบกิโลกรัมสากล (International Prototype of the Kilogram - IPK)" กลายเป็นมาตรฐานของหน่วยมวลสำหรับระบบเมตริก และยังคงอยู่เช่นนั้นเป็นเวลา 130 ปี ก่อนที่จะมีการนำมาตรฐานปัจจุบันมาใช้ในปี พ.ศ. 2562^[5]

นิยาม

กิโลกรัม ถูกนิยามโดยอาศัยค่าคงที่นิยาม 3 ประการ^[3]:

• ความถี่การเปลี่ยนสถานะของอะตอมเฉพาะค่าหนึ่ง (Δν_Cs) ซึ่งกำหนดความยาวของวินาที
• ความเร็วแสง (c) ซึ่งเมื่อรวมกับวินาทีแล้ว จะกำหนดยาวของเมตร
• ค่าคงตัวของพลังค์ (h) ซึ่งเมื่อรวมกับเมตรและวินาทีแล้ว จะกำหนดมวลของกิโลกรัม

ตาม ที่ประชุมใหญ่ว่าด้วยการชั่งตวงวัด (CGPM)

กิโลกรัม (สัญลักษณ์ kg) เป็นหน่วยฐานของมวลในระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ (SI) นิยาม โดยการกำหนดค่าตัวเลขคงที่ของ ค่าคงตัวของพลังค์ (h) ให้มีค่าเท่ากับ 6.62607015×10⁻³⁴ เมื่อแทนค่าในหน่วย จูลวินาที (J⋅s) ซึ่งเทียบเท่ากับ กิโลกรัม เมตรกำลังสอง ต่อ วินาที (kg⋅m²⋅s⁻¹) โดยที่ เมตร และ วินาที ถูกนิยามโดยอาศัย ความเร็วแสง (c) และ ความถี่การเปลี่ยนสถานะของอะตอมซีเซียม (Δν_Cs)

— CGPM ^[6][7]

เมื่อกำหนดตามหน่วยเหล่านั้น กิโลกรัม จะถูกกำหนดเป็น^[8]:

kg = (299792458)²/(6.62607015×10⁻³⁴)(9192631770)hΔν_Cs/c² = 917097121160018/6215410507259047510⁴²hΔν_Cs/c² ≈ (1.475521399735270×10⁴⁰)hΔν_Cs/c² .

โดยทั่วไปคำจำกัดความนี้สอดคล้องกับคำจำกัดความก่อนหน้านี้: มวลยังคงอยู่ภายใน 30 ส่วนในล้านส่วน ของมวลน้ำหนึ่งลิตร^[9]

เส้นเวลาของคำจำกัดความก่อนหน้า

ต้นแบบกิโลกรัมสากล, ซึ่งมีมวลถูกกำหนดให้เป็นหนึ่งกิโลกรัมตั้งแต่ปี พ.ศ. 2432 ถึง พ.ศ. 2562

• พ.ศ. 2336: The เกรฟ (หน่วยดั้งเดิมของกิโลกรัม) ซึ่งเป็นหน่วยก่อนหน้าของกิโลกรัม ถูกนิยามให้มีมวลเท่ากับน้ำ 1 ลิตร (ลูกบาศก์เดซิเมตร: dm³) ซึ่งคำนวณได้ประมาณ 18,841 เกรน.^[10]
• พ.ศ. 2338: กรัม (¹/₁₀₀₀ ของกิโลกรัม) ถูกนิยามอย่างเบื้องต้นให้มีมวลเท่ากับน้ำ 1 ลูกบาศก์เซนติเมตร ที่จุดหลอมละลายของน้ำแข็ง^[11]
• พ.ศ. 2342: ผลิต กิโลกรัมเดส์อาร์ไคฟ์ ขึ้นเป็นต้นแบบ มีมวลเท่ากับน้ำ 1 ลูกบาศก์เดซิเมตร (dm³) ที่อุณหภูมิความหนาแน่นสูงสุด ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 4 °C.^[12]
• พ.ศ. 2418-2432: มีการลงนามในอนุสัญญาเมตริก ในปี พ.ศ. 2418 นำไปสู่การผลิต ต้นแบบกิโลกรัมสากล (IPK) ในปี พ.ศ. 2422 และรับรองใช้งานอย่างเป็นทางการในปี พ.ศ. 2432^[13]
• พ.ศ. 2562: กิโลกรัม ถูกนิยามใหม่โดยอาศัย ค่าคงตัวของพลังค์, ความเร็วแสง และ ความถี่การแยกละเอียดไฮเปอร์ไฟน์ของซีเซียม-133 (¹³³Cs) ซึ่งได้รับการรับรองโดย ที่ประชุมใหญ่ว่าด้วยการชั่งตวงวัด (CGPM) เมื่อวันที่ 16 พฤศจิกายน พ.ศ. 2561^[5]

กิโลกรัม ยังคงเป็นหน่วยเอสไอเพียงหน่วยเดียวที่นิยามโดยเทียบกับวัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้น แทนที่จะเทียบกับความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติพื้นฐานทางฟิสิกส์เช่นหน่วยอื่น ๆ

คำจำกัดความใหม่ตามค่าคงที่พื้นฐาน

ระบบเอสไอ หลังการปรับปรุงใหม่ในปี พ.ศ. 2562 กิโลกรัม: ถูกนิยามใหม่โดยอาศัย วินาที, ความเร็วแสง และ ค่าคงตัวของพลังค์ แทนที่การอ้างอิงมวลของวัตถุ นอกจากนี้แอมแปร์ จะไม่ได้อ้างอิงกับกิโลกรัมอีกต่อไป

เครื่องชั่งคิบเบิล ซึ่งเดิมทีใช้ในการวัดค่าคงตัวของพลังค์ โดยอาศัยต้นแบบกิโลกรัมสากล (IPK) ปัจจุบันสามารถนำมาใช้ในการปรับเทียบมวลมาตรฐานรอง เพื่อใช้งานจริงได้

บทความหลัก: การนิยามหน่วยฐานเอสไอใหม่ พ.ศ. 2562

เมื่อแรกเริ่มนั้น หนึ่งกิโลกรัม นิยามไว้เท่ากับมวลของน้ำบริสุทธิ์ ปริมาตรหนึ่งลิตร ที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียสและความดันบรรยากาศมาตรฐาน นิยามข้างต้นวัดให้แม่นยำได้ยาก เนื่องจากความหนาแน่นของน้ำขึ้นอยู่กับความดันบรรยากาศ และความดันนิยามโดยมีมวลเป็นองค์ประกอบ ทำให้เกิดการขึ้นแก่กันเป็นวงกลมในนิยามของกิโลกรัมข้างต้น

เพื่อแก้ปัญหาข้างต้น จึงได้มีการนิยามกิโลกรัมใหม่ให้เท่ากับมวลของมวลมาตรฐานอย่างเที่ยงตรง ซึ่งมวลมาตรฐานดังกล่าวสร้างขึ้นโดยให้มีมวลเทียบเท่ากับมวลในนิยามเดิม นับตั้งแต่ปี ค.ศ. 1889 เป็นต้นมา ระบบเอสไอนิยามให้มวลหนึ่งกิโลกรัมเท่ากับมวลของมวลต้นแบบระหว่างชาติของกิโลกรัม ซึ่งเป็นทรงกระบอกสร้างจากโลหะเจือแพลทินัม-อิริเดียม ความสูงและเส้นผ่านศูนย์กลาง 39 มิลลิเมตร เก็บรักษาไว้ที่สำนักงานระหว่างประเทศว่าด้วยมาตราชั่งตวงวัด (Bureau International des Poids et Mesures) ได้มีการสร้างสำเนาอย่างเป็นทางการของมวลต้นแบบระหว่างชาติฯ ขึ้นหลายชิ้นด้วยกันเพื่อใช้เป็นมวลต้นแบบแห่งชาติ ซึ่งจะนำมาเปรียบเทียบกับมวลต้นแบบระหว่างชาติฯ ("Le Grand Kilo" เลอกรองกีโล) ประมาณทุก 10 ปี มวลต้นแบบระหว่างชาติฯ นั้นสร้างขึ้นราวคริสต์ทศวรรษ 1880

หากถือตามนิยาม ความคลาดเคลื่อนระหว่างการเปรียบเทียบซ้ำแต่ละครั้งของนิยามปัจจุบันจะต้องเป็นศูนย์ ทว่าในการถือปฏิบัติโดยทั่วไป ถือว่าความคลาดเคลื่อนดังกล่าวอยู่ในอันดับ 2 ไมโครกรัม ความคลาดเคลื่อนนี้พบจากการเปรียบเทียบมวลต้นแบบระหว่างชาติฯ กับมวลต้นแบบแห่งชาติทุกชิ้น เนื่องจากมวลต้นแบบแห่งชาติสร้างจากวัสดุเดียวกันและเก็บไว้ในสภาวะเดียวกัน จึงไม่มีเหตุผลเพียงพอที่จะกล่าวได้ว่ามวลต้นแบบระหว่างชาติฯ มีความเสถียรของมวลมากหรือน้อยไปกว่ามวลสำเนาอย่างเป็นทางการชิ้นอื่น ๆ ด้วยเหตุนี้การประมาณการความเสถียรของมวลต้นแบบระหว่างชาติฯ จึงสามารถกระทำได้ กระบวนวิธีเปรียบเทียบดังกล่าวนี้จะกระทำประมาณทุก 40 ปี

การแทนที่ต้นแบบกิโลกรัมสากล (IPK) เกิดจากหลักฐานที่สะสมมาเป็นเวลานาน ซึ่งชี้ว่า มวลของ IPK และสำเนาของมันมีการเปลี่ยนแปลง โดย IPK มีความคลาดเคลื่อนจากสำเนาประมาณ 50 ไมโครกรัม นับตั้งแต่ผลิตขึ้นในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 สิ่งนี้นำไปสู่ความพยายามแข่งขันหลายครั้งในการพัฒนาวิทยาการวัดที่มีความแม่นยำเพียงพอที่จะรองรับการแทนที่วัตถุอ้างอิงกิโลกรัมด้วยนิยามที่อิงตามค่าคงที่พื้นฐานทางฟิสิกส์โดยตรง^[5]

ปัจจุบันเราพบว่ามวลต้นแบบระหว่างชาติของกิโลกรัมสูญเสียมวลไปประมาณ 50 ไมโครกรัมตลอดระยะเวลา 100 ปีที่ผ่านมา ซึ่งสาเหตุนั้นยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด (จากรายงานในนิตยสาร แดร์-ชปีเกิล ปี 2003 ฉบับ 26) การที่มวลของมวลต้นแบบฯ เปลี่ยนแปรไปจนสังเกตได้นี้เป็นปัจจัยสำคัญที่ผลักดันให้มีการค้นหานิยามใหม่สำหรับกิโลกรัม เนื่องจากหากเราถือตามนิยามของกิโลกรัมในปัจจุบัน คำกล่าวที่ว่า "วัตถุใด ๆ ก็ตามในเอกภพ (เว้นแต่มวลต้นแบบระหว่างชาติของกิโลกรัม) ที่เมื่อ 100 ปีก่อนมีมวล 1 กิโลกรัม, และไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ นับตั้งแต่นั้นเป็นมา, ปัจจุบันจะมีมวลมากกว่าหนึ่งกิโลกรัมอยู่ 50 ไมโครกรัม" จะต้องนับว่าถูกต้องแม่นยำ เราจะเห็นว่าคำกล่าวข้างต้นขัดแย้งกับสามัญสำนึก นอกจากนี้ยังทำให้สูญเสียความมุ่งหมายในการนิยามหน่วยมาตรฐานของมวลไป เนื่องจากมาตรฐานไม่ควรเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรก็ได้เมื่อเวลาผ่านไป ทำให้มีการประชุมกันของนักวิทยาศาสตร์เพื่อสร้างนิยามใหม่ของ กิโลกรัม โดยมีผลตั้งแต่วันที่ 20 พฤษภาคม ค.ศ. 2019 โดยนิยามใหม่ของกิโลกรัมคือ กิโลกรัมหรือสัญลักษณ์ kg นิยามโดย ค่าคงตัวของพลังค์ เป็น 6.626070150 คูณ 10 ยกกำลัง -34 โดยมีหน่วยเป็น Js ซึ่งเท่ากับ kg m² s^-1 โดยเมตรและวินาทีนิยามในเทอมของความเร็วของแสงและนาฬิกา Caesium standard ตามลำดับเป็นการเปลี่ยนการนิยามจากวัตถุทางกายภาพเปลี่ยนเป็นนิยามอิงกับค่าคงที่ทางฟิสิกส์ ^[6][14]

หน่วยพหุคูณ

เนื่องจากหน่วยเอสไอหน่วยหนึ่ง ไม่สามารถมีคำนำหน้าหลายตัว (ดูค คำอุปสรรคเอสไอ) จึงมีการนำคำนำหน้าไปประกอบกับกรัม แทนที่จะเป็นกิโลกรัม ซึ่งมีคำนำหน้าเป็นส่วนหนึ่งของชื่ออยู่แล้ว^[15] ตัวอย่างเช่น หนึ่งในล้านของกิโลกรัม คือ 1 มิลลิกรัม (mg) ไม่ใช่ 1 ไมโครกรัม (μkg)

พหุคูณเอสไอสำหรับหน่วยกรัม (g)

พหุคูณย่อย			พหุคูณใหญ่
ค่า	สัญลักษณ์	ชื่อ	ค่า	สัญลักษณ์	ชื่อ
10–1 g	dg	เดซิกรัม	101 g	dag	เดคากรัม
10–2 g	cg	เซนติกรัม	102 g	hg	เฮกโตกรัม
10–3 g	mg	มิลลิกรัม	103 g	kg	กิโลกรัม
10–6 g	µg	ไมโครกรัม	106 g	Mg	'เมกะกรัม (เมตริกตัน)'
10–9 g	ng	นาโนกรัม	109 g	Gg	จิกะกรัม
10–12 g	pg	พิโกกรัม	1012 g	Tg	เทระกรัม
10–15 g	fg	เฟมโตกรัม	1015 g	Pg	เพตะกรัม
10–18 g	ag	อัตโตกรัม	1018 g	Eg	เอกซะกรัม
10–21 g	zg	เซปโตกรัม	1021 g	Zg	เซตตะกรัม
10–24 g	yg	ยอกโตกรัม	1024 g	Yg	ยอตตะกรัม
10−27 g	rg	รอนโตกรัม	1027 g	Rg	รอนนากรัม
10−30 g	qg	เควกโตกรัม	1030 g	Qg	เควตตากรัม
หน่วยที่นิยมใช้แสดงเป็นตัวหนา[Note 2]

ดูเพิ่ม

• สถานีย่อยฟิสิกส์

• ความเฉื่อย – แนวโน้มของวัตถุที่จะคงอยู่ในสถานะการเคลื่อนที่ที่มีอยู่นั้นเรียกว่าความเฉื่อยของมันPages displaying wikidata descriptions as a fallback
• เครื่องชั่งคิบเบิล
• กิโลกรัม-แรง
• มวลกับน้ำหนัก
• ระบบเมตริก
• สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ NIST
• นิวตัน – หน่วยของแรงPages displaying wikidata descriptions as a fallback
• ความเร่งมาตรฐานของการตกอย่างอิสระ
• น้ำหนัก – แรงที่กระทำต่อมวลเนื่องจากแรงโน้มถ่วงPages displaying wikidata descriptions as a fallback

โน้ต

1. อาวัวร์ดูปัวส์ปอนด์เป็นส่วนหนึ่งของระบบหน่วย ทั้งระบบ[[]] และ ระบบหน่วยวัดแบบอังกฤษ ซึ่งกำหนดไว้อย่างชัดแจ้ง 0.45359237 kilograms.
2. Criterion: A combined total of at least five occurrences on the British National Corpus and the Corpus of Contemporary American English, including both the singular and the plural for both the -gram and the -gramme spelling.