Como funcionam os balões de hélio

por Marshall Brain - traduzido por HowStuffWorks Brasil
 

 

Flutuando em geral

A maioria de nós aceita a idéia de algo flutuando na água. Vemos isso acontecer todo dia. De fato, as próprias pessoas flutuam na água, então temos uma maneira de experimentar diretamente a flutuação na água. A razão pela qual as coisas flutuam na água se aplica também ao ar, então vamos começar entendendo a flutuação na água.

Digamos que você pegue uma garrafa de plástico de refrigerante de 1 litro e a esvazie. Depois, recoloque a tampa (de modo que tenha uma garrafa cheia de ar), amarre um barbante ao redor dela como você faria com um balão e mergulhe até o fundo de uma piscina com ela. Como a garrafa está cheia de ar, você pode imaginar que ela terá uma forte tendência a retornar à superfície. Você pode sentar no fundo da piscina com ela, segurando o barbante e ela se comportará do mesmo jeito que um balão de hélio o faria no ar. Se você soltar o barbante a garrafa subirá rapidamente até a superfície.

A razão pela qual este "balão" de garrafa de refrigerante tende a subir na água é que a água é um fluido e a garrafa de 1 litro está deslocando um litro desse fluido. A garrafa e o ar contido nela pesam 28,35 gramas no máximo (1 litro de ar pesa cerca de 1 grama e a garrafa também é muito leve). O litro de água que ela desloca, no entanto, pesa cerca de 1.000 gramas. Como o peso da garrafa com o ar contido nela é menor que o peso da água que desloca, a garrafa flutua. Esta é a lei da flutuabilidade, também conhecida como Princípio de Arquimedes).

 

 

Flutuação do hélio

Os balões de hélio funcionam de acordo com a mesma lei de flutuabilidade. Neste caso, o balão de hélio que você segura com um barbante está flutuando em uma "piscina" de ar (quando você fica no fundo de uma piscina, você está em uma "piscina de água" talvez à profundidade de 3 metros - quando você fica em um campo aberto, está no fundo de uma "piscina de ar" que tem a profundidade de muitos quilômetros). O balão de hélio desloca uma quantidade de ar (do mesmo jeito que uma garrafa vazia desloca uma quantidade de água). Enquanto o hélio e o balão forem mais leves que o ar que deslocam, o balão com hélio flutuará no ar.

Acontece que o hélio é muito mais leve que o ar. A diferença não é tão grande quanto entre água e ar (1 litro de água pesa cerca de 1.000 gramas, enquanto 1 litro de ar pesa cerca de 1 grama), mas é significativa. O hélio pesa 0,1785 gramas por litro. O nitrogênio pesa 1,2506 gramas por litro e como cerca de 80% do ar que respiramos é feito de nitrogênio, 1,25 gramas é uma boa aproximação para o peso de um litro de ar.

Portanto, se você enchesse uma garrafa de refrigerante de 1 litro com hélio, a garrafa pesaria cerca de 1 grama a menos do que a mesma garrafa cheia de ar. Isto não parece muito - a própria garrafa pesa mais que 1 grama, então ela não flutuará. No entanto, em grandes volumes, a diferença de 1 grama por litro entre o ar e o hélio pode realmente se acumular. Isto explica por que dirigíveis e balões são geralmente bem grandes - eles têm que deslocar muito ar para flutuar. O diagrama a seguir mostra as diferentes capacidades de elevação dos diferentes volumes de hélio:

 

 

 

 

Um balão com diâmetro de 30,48 metros pode elevar aproximadamente 15 toneladas! Você pode descobrir a capacidade de elevação do hélio em um balão esférico da seguinte maneira:

  1. Determine o volume do balão.
    O volume de uma esfera é 4/3 * pi * r3, onde r é o raio do balão. Então, primeiro determine o raio da esfera (o raio é metade do diâmetro). Eleve o raio ao cubo (multiplique o raio por ele próprio três vezes: r*r*r), multiplique por 4/3 e depois multiplique por Pi. Se você estiver medindo o seu balão em metros, isso lhe dará o volume do balão em m3.
  2. Um metro cúbico de hélio elevará cerca de 1000 gramas, então multiplique o volume do balão por 1000. 

Por exemplo: um balão de 6 metros possui um raio de 3 metros. 3* 3 * 3 * 3,14 * 4/3 = 113 m3 de volume. 113 m3 * 1000 gramas/m3 = 113.000 gramas ou 113 quilogramas.

Apesar de não serem muito usados atualmente, balões de hidrogênio já foram bastante populares. O hidrogênio pesa apenas 0,08988 gramas por litro. Entretanto, ele é altamente inflamável, então uma pequena faísca pode causar uma explosão enorme.

Então por que o hélio e o hidrogênio são tão mais leves que o ar? Isso acontece porque os átomos de hidrogênio e hélio são mais leves que um átomo de nitrogênio. Eles possuem menos elétrons, prótons e nêutrons que os átomos de nitrogênio e isso os torna mais leves (o peso atômico aproximado do hidrogênio é 1, do hélio é 4 e do nitrogênio é 14). Aproximadamente o mesmo número de átomos de cada um desses elementos ocupa quase o mesmo espaço. Portanto, os gases feitos de átomos mais leves são, naturalmente, mais leves.

 

 

Ar quente

E os balões de ar quente? Eles funcionam segundo princípios similares. Se você aquecer um gás, ele se expande. No caso de um balão de ar quente, quando o gás dentro do balão se expande, o gás extra é expulso pela parte inferior do balão, o que significa que há menos átomos dentro dele e, consequentemente esse ar dentro do balão se torna mais leve que o ar externo ao balão.

A capacidade de elevação é controlada pela quantidade de calor que o ar possui. Se o ar dentro do balão for aquecido 37,8ºC, acima da temperatura do ar externo, o ar no interior do balão será cerca de 25% mais leve do que o ar de fora dele. Portanto, 0,0283m3 (um pé cúbico) de ar pesa cerca de 35 gramas a 0ºC. Um pé cúbico de ar aquecido a 55,6ºC pesará 25% menos ou cerca de 26,5 gramas. A diferença é de aproximadamente 8,5 gramas. Então, um balão de ar quente precisa ser muito maior para suportar o mesmo peso, mas flutuará porque o ar mais quente é mais leve do que o ar mais frio.

Você pode ter uma idéia de quanto o ar se contrai e expande à medida que sua temperatura muda realizando o seguinte experimento:

  1. Pegue dois sacos do tipo "Ziplock" (tamanho de um galão ou 3, 785 litros) e encha-os (faça isso fechando o saco, depois abrindo um pouco em uma extremidade do selo). Encha cada saco como um balão e feche-o enquanto mantém a pressão no último sopro. Os sacos devem estar cheios - o plástico em ambos os sacos inflados deve estar esticado.

     

  2. Agora deixe os sacos sobre o balcão por dois minutos para esfriar. Você bombeou ar a 37ºC dentro deles e a temperatura precisa cair até a temperatura ambiente. Os sacos provavelmente ficarão um pouco menos esticados no processo de resfrio. Depois disso, insira mais um sopro de ar para esticá-los novamente.

     

  3. Agora coloque um dos sacos no seu freezer por cerca de três minutos, enquanto deixa o outro sobre o balcão. Quando você retirar o saco do freezer, ele terá murchado um pouco. Quanto? Cerca de 10 a 15%. Ele murchou porque o ar mais frio é mais denso do que o ar mais quente. Compare o saco frio com o saco sobre o balcão - o saco frio não estará nem um pouco esticado.

Então, algo interessante irá acontecer à medida que o saco frio se aquecer - ele esticará novamente e retornará ao seu tamanho original.

Você pode ver claramente que o ar mais quente ocupa mais espaço do que o ar mais frio. Portanto, o ar mais quente é mais leve do que o ar mais frio e é isso que faz o balão de ar quente flutuar.

Para mais informações sobre balonagem de ar quente, confira Como funcionam os balões de ar quente.

 

 

Informações retiradas do site https://ciencia.hsw.uol.com.br/baloes-de-helio5.htm

 

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