Vì sao bóng bay bơm khí heli chóng xẹp?

Hai quả bóng bay giống hệt nhau, một quả bơm bằng không khí thường, một quả bơm bằng khí heli. Chỉ sau một lúc, bóng bơm khí heli đã teo lại, dần dần dúm dó, trong khi quả còn lại gần như vẫn tròn căng cho đến vài ngày sau. Bóng kín như thế, heli thoát đi đâu?

Heli là loại khí rất nhẹ. Phân tử của nó được cấu tạo từ các đơn nguyên tử nên có kích thước cực nhỏ, đường kính chỉ khoảng 0,1 nanomét. Nhờ thân hình “cực mini” này, heli rất dễ khuếch tán qua màng kim loại bằng cách “vi hành” theo các khe hổng, lỗ rỗng. Vì vậy, người ta thường sử dụng heli để kiểm tra chất lượng các hệ thống hút bụi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp, xem chúng có khe nứt hay không. Khi bơm heli vào bóng, khí này sẽ nhanh chóng thoát ra ngoài theo các khe và ống nhỏ xíu trên vỏ bóng bay, khiến bóng nhanh xẹp. Trong khi đó, phân tử nitơ và oxy, hai khí chính trong khí quyển, có đường kính lớn hơn nhiều so với nguyên tử heli nên ít bị khuếch tán qua vỏ bóng bay hơn.

Một nguyên nhân khác khiến hơi nhanh chóng thoát ra là cấu tạo của vỏ bóng. Bóng bay được làm từ chất dẻo, là tập hợp các sợi polyme đan vào nhau. Các sợi này không thể sít chặt hoàn toàn mà còn chừa lại các lỗ hổng, khe và rãnh. Vì thế, ngay ở áp suất thấp, heli vẫn có thể khuếch tán ra ngoài.

Khi bóng được bơm căng, các sợi polyme giãn ra, vỏ bóng trở nên mỏng hơn, lỗ rỗng mở rộng hơn, áp lực tăng lên và đẩy các phân tử khí chui ra ngoài nhanh hơn, đi qua “quãng đường” ngắn hơn. Đó là lý do khi bóng căng, quá trình xẹp hơi diễn ra rất nhanh, rồi chậm dần khi kích cỡ quả bóng thu nhỏ lại.

Tuy nhiên, bạn cũng sẽ nhận thấy quả bóng không hoàn toàn xẹp hẳn. Đó là vì ngoài dòng khí đi ra, còn có dòng khí từ bên ngoài đi vào cũng chui qua các khe rỗng này. Nếu quả bóng được bơm đầy khí sulphur hexaflourid, vốn có kích thước phân tử rất lớn và rất khó khuếch tán ra ngoài, thì nó sẽ không bị xẹp đi. Đồng thời, không khí từ ngoài lại đi vào trong quả bóng, khiến nó dần dần tăng kích cỡ.

Hiện nay, người ta đã chế tạo ra những loại bóng bay làm từ vật liệu không đàn hồi, không có lỗ rỗng và được phủ màng để giảm sự thoát khí. Mặc dù vẫn có hiện tượng xẹp hơi, nhưng chắc chắn thời gian căng tròn của bóng đủ để trẻ em chơi đến khi chán trò này.