Ôn tập: Khinh khí cầu lúc cất cánh

Bóng bay thời tiết và vấn đề về heli

Hai lần mỗi ngày, vào cùng một thời điểm trên khắp thế giới, khoảng 900 trạm thời tiết thả một quả bóng bay. Mỗi quả mang theo một hộp dụng cụ nhỏ gọi là thiết bị đo khí tượng bằng sóng vô tuyến, truyền về nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của không khí khi nó bay lên. Những con số này là dữ liệu cho mọi bản tin dự báo thời tiết bạn đọc.

Bóng bay thời tiết làm bằng cao su mỏng. Khi ở mặt đất, nó được bơm đầy khoảng 2,500 L khí, tạo thành quả cầu rộng khoảng 1.7 m. Khi bóng bay lên, không khí xung quanh loãng dần và áp suất bên ngoài giảm xuống, nên khí bên trong giãn ra và bóng phồng lên. Ở độ cao lớn, không khí cũng rất lạnh, khiến khí co lại một chút, nhưng áp suất giảm mạnh hơn nhiều. Ở độ cao khoảng 30 km so với mặt đất, bóng đã nở rộng đến sáu hoặc bảy mét, cao su rách và thiết bị đo khí tượng rơi trở lại Trái Đất dưới một chiếc dù nhỏ.

Cùng một lượng heli ở mặt đất và trên cao: ít va chạm với bên ngoài hơn, nên bóng phồng lên

Khí bên trong phải nhẹ hơn không khí. Hiđrô là khí nhẹ nhất và có giá rẻ: một số trạm tạo khí ngay tại chỗ bằng cách dùng điện phân tách nước, 2H₂O → 2H₂ + O₂. Nhưng hiđrô dễ cháy, và một chỗ rò rỉ gần tia lửa có thể gây hỏa hoạn. Vì vậy, hầu hết các trạm dùng heli, một khí hiếm hoàn toàn không phản ứng.

Heli cũng có vấn đề riêng. Heli trên Trái Đất được tạo ra từ từ trong hàng triệu năm, nhờ sự phân rã α của urani và thori trong đá, rồi được thu gom từ các giếng khí tự nhiên. Một khi thoát ra không khí, heli bay lên cao và nhẹ đến mức từ từ thoát ra ngoài không gian. Bệnh viện cần heli để làm lạnh nam châm trong máy chụp MRI, và trong những năm khan hiếm, giá heli đã tăng mạnh. Các cơ quan khí tượng ở một số quốc gia đã chuyển một số đợt phóng bóng bay sang dùng hiđrô, với các thiết bị phóng tự động giúp mọi người tránh xa khí.

Hãy tính khối lượng heli, $m$, trong một quả bóng được bơm đầy 2,500 L heli ở điều kiện nhiệt độ phòng (He, 4 g/mol). Giả sử 1 mol khí chiếm 25 L ở điều kiện nhiệt độ phòng.