Boa tarde Maríndia, tudo bem?
A sua pergunta é muito interessante e delicada, então a gente tem que tomar alguns cuidados.
O que acontece com um balão quando ele sobe infinitamente?
A pergunta é hipotética, então vou responder hipoteticamente
.
Conforme o balão sobe, a atmosfera vai ficando mais rarefeita, então a pressão do ar fica cada vez menor agindo sobre o balão, então o gás dentro do balão tem mais liberdade pra se mexer. Então conforme o balão sobe, ele aumenta de tamanho. Mas veja, não há praticamente diferença na diferença de pressão em cima ou perto do chão, pois o balão expande exatamente pra equilibra-las.
Vai chegar uma certa altura em que a expansão do gás vai começar a ser resistida, pois independentemente do balão que voce use, ele não pode se expandir pra sempre.
Daqui existem duas possibilidades,
1) ou ela estoura pois a expansão é mais do que o material aguenta
2)ou ela chega num estágio em que a massa do conjunto balão + gás é praticamente igual à massa de ar que teve que ser deslocada para que o balão esteja ali (uma das implicações da força empuxo). Daí ela fica boiando naquela altura.
No caso do balão a ideia de diferença de pressão não faz muita diferença, pois ele tem uma capacidade tremenda de expandir pra equilibrar a pressão interna e externa.
Como eu não tirei isso da minha cabeça, mas tive que pesquisar, vão aí as referências que usei:
https://www.quora.com/A-balloon-filled-with-helium-gas-does-not-rise-in-air-indefinitely-but-halts-after-a-certain-height-Why - Resposta de Kim Aaron
https://en.wikipedia.org/wiki/Buoyancy#Balloons
Espero ter ajudado e bons estudos!