¿Por qué los globos aerostáticos no pueden volar más alto que los globos de helio?

Aunque es bastante obvio que los globos de helio deberían poder elevarse más que los globos de aire caliente debido al peso molecular mucho más bajo del helio frente al aire, podría ser informativo ver cómo se elevan y por qué dejan de subir.

Tanto los globos de helio como los de aire caliente se elevan porque la fuerza de sustentación, igual al peso del aire desplazado por un globo, excede el peso del globo (incluido el gas, el helio o el aire caliente, dentro del globo).

Tanto los globos de helio como los de aire caliente dejan de ascender porque la densidad del aire disminuye con la altitud y, con ella, la fuerza de sustentación. Este no es el caso del agua, que tiene prácticamente la misma densidad a diferentes niveles de profundidad y, por lo tanto, sigue empujando objetos menos densos que el agua hasta la superficie.

En el caso de los globos de helio, esta disminución de la densidad con la altitud se ve parcialmente compensada por la expansión de su volumen, pero aun así, a cierta altitud, el peso superará la fuerza de sustentación.

En el caso de los globos aerostáticos, la disminución de la densidad podría compensarse parcialmente expulsando más y más aire, lo que podría lograrse elevando la temperatura del globo a niveles progresivamente más altos. Pero, nuevamente, en algún momento el peso del globo excederá la fuerza de elevación.

Entonces, incluso si el peso del gas dentro de un globo fuera cero, habría un límite debido al peso finito del globo y la carga útil. Este límite es más bajo para los globos de aire caliente porque tienden a pesar más y porque, a cualquier nivel de presión, la densidad del helio será menor que la densidad del aire caliente (para cualquier temperatura práctica) y, por lo tanto, los globos de helio tendrán una mayor fuerza de elevación para el mismo volumen ($(\rho_{out}-\rho_{in})\times V$).