Quả bóng bay dù được buộc chặt để lâu ngày vẫn bị xẹp vì giữa các nguyên tử cao su của quả bóng có khoảng cách, do đó các phân tử khí heli không có liên kết đã len vào khoảng cách giữa các phân tử cao su rồi dần thoát ra ngoài.
Bóng bay bơm khí heli xì hơi sau một vài ngày, mặc dù những quả bóng cao su thông thường chứa đầy không khí có thể giữ hình dạng của chúng trong nhiều tuần. Tại sao bóng bay khí heli mất khí và lực nâng nhanh như vậy? Câu trả lời liên quan đến bản chất của helium và vật liệu bóng bay.
Khí heli vs. không khí trong bong bóng
Heli là một loại khí cao quý, có nghĩa là mỗi nguyên tử heli có vỏ electron hóa trị đầy đủ. Vì các nguyên tử heli tự ổn định, chúng không hình thành liên kết hóa học với các nguyên tử khác. Vì vậy, bóng bay khí heli chứa rất nhiều nguyên tử heli nhỏ.
Bóng bay thông thường chứa đầy không khí, chủ yếu là nitơ và oxy. Các nguyên tử nitơ và oxy đơn lẻ đã lớn hơn và lớn hơn nhiều so với các nguyên tử helium, cộng với các nguyên tử này liên kết với nhau để tạo thành các phân tử N2 và O2.
Vì heli ít hơn nhiều so với nitơ và oxy trong không khí, nên bóng chứa heli bay. Tuy nhiên, kích thước nhỏ hơn cũng giải thích tại sao bóng bay khí heli xì hơi nhanh như vậy.
Các nguyên tử heli rất nhỏ – rất nhỏ chuyển động ngẫu nhiên của các nguyên tử cuối cùng cho phép chúng tìm đường đi qua vật liệu của bóng bay thông qua một quá trình gọi là khuếch tán. Một số heli thậm chí tìm đường đi qua nút thắt buộc của quả bóng.
Cả bóng bay và bóng đều không xì hơi hoàn toàn. Tại một số điểm, áp suất của khí ở cả bên trong và bên ngoài của quả bóng trở nên giống nhau và quả bóng đạt đến trạng thái cân bằng. Khí vẫn được trao đổi trên vỏ bóng bay, nhưng nó không co lại nữa.
Tại sao bóng bay heli dùng chất liệu foil hay Mylar (một loại polyester có độ bền kéo cao, ổn định hóa học, tính chất rào cản khí…)?
Không khí từ từ khuếch tán qua bóng bay cao su thông thường, nhưng khoảng cách giữa các phân tử latex đủ nhỏ để mất một thời gian dài để không khí đủ rò rỉ ra ngoài.
Nếu bạn bơm khí heli vào một quả bóng cao su, nó sẽ khuếch tán ra rất nhanh, quả bóng của bạn sẽ xì hơi ngay lập tức. Ngoài ra, khi bạn bơm phồng một quả bóng cao su, bạn đổ đầy khí cầu và tạo áp lực lên bề mặt bên trong của vật liệu. Một quả bóng bán kính 5 inch có lực lượng khoảng 1000 pound tác động lên bề mặt của nó! Bạn có thể thổi phồng một quả bóng bay bằng cách thổi không khí vào nó bởi vì lực trên một đơn vị diện tích của màng không nhiều. Nó vẫn đủ áp lực để buộc khí heli xuyên qua thành của khinh khí cầu, giống như cách nước chảy qua khăn giấy.
Vì vậy, bóng bay heli dùng chất liệu Mylar vì những quả bóng này giữ hình dạng của chúng mà không cần nhiều áp lực và vì lỗ chân lông giữa các phân tử nhỏ hơn.
Hydro vs. Heli
Cái gì xì hơi nhanh hơn? một quả bóng khí heli hay một quả bóng hydro? Trả lời là bóng bay hydro.
Mặc dù các nguyên tử hydro hình thành liên kết hóa học với nhau để trở thành khí H2, mỗi phân tử hydro vẫn nhỏ hơn một nguyên tử heli. Điều này là do các nguyên tử hydro bình thường thiếu neutron, trong khi mỗi nguyên tử heli có hai neutron.
Các yếu tố ảnh hưởng đến việc một quả bóng heli xì hơi nhanh như thế nào?
Bạn đã biết vật liệu bóng bay ảnh hưởng đến việc nó giữ heli tốt như thế nào. Foil và Mylar hoạt động tốt hơn so với cao su latex hoặc giấy hoặc các vật liệu xốp khác. Có những yếu tố khác ảnh hưởng đến thời gian một quả bóng khí heli còn phồng và nổi.
Lớp phủ bên trong quả bóng ảnh hưởng đến thời gian tồn tại. Một số bóng bay khí heli được xử lý bằng gel giúp giữ khí bên trong bong bóng lâu hơn.
Nhiệt độ ảnh hưởng đến một quả bóng kéo dài bao lâu. Ở nhiệt độ cao hơn, chuyển động của các phân tử tăng lên, do đó tốc độ khuếch tán (và tốc độ giảm phát) tăng. Tăng nhiệt độ cũng làm tăng áp lực khí tác động lên thành bong bóng. Nếu quả bóng là mủ cao su, nó có thể giãn ra để thích ứng với áp suất tăng, nhưng điều này cũng làm tăng khoảng cách giữa các phân tử latex, do đó khí có thể thoát ra nhanh hơn. Một quả bóng bay không thể mở rộng, do đó áp suất tăng có thể khiến quả bóng nổ tung. Nếu quả bóng không bật, áp suất có nghĩa là các nguyên tử helium tương tác thường xuyên hơn với vật liệu bóng bay, rò rỉ ra nhanh hơn.
