Vì sao bóng bay bơm khí heli chóng xẹp?

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

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

Một nguyên nhân khác cũng khiến hơi nhanh chóng thoát ra là do cấu tạo của vỏ bón g. Bóng bay được làm từ chất dẻo, là một tập hợp các sợi polyme đan vào nhau. Các sợi này không thể sít chặt với nhau, mà còn để chừa các lỗ hổng, hay các khe, rãnh. Vì thế, ngay ở áp suất thấp, heli vẫn có thể khuyếch tán ra ngoài như thường.

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

Tuy nhiên, bạn cũng sẽ nhận thấy quả bóng không hoàn toàn xịt hẳn. Đó là do ngoài dòng khí đi ra, còn có dòng khi đi từ bên ngoài đi vào cũng chui qua các khe rỗng này. Nếu quả bóng được bơm đẩy khi sulphur hexaflourid(có kích thước phân tử rất lớn, rất khó khuyếch tán ra ngoài) thì chúng sẽ không bị xẹp đi. Đồng thời, không khí từ ngoài lại đi vào trong quả bóng, khiến nó dẩn dẩn tăng lên về kích cỡ.

Hiện nay, người 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 cho trẻ em chơi đến khi chúng chán trò này.