Tensiunea superficială este proprietatea generală a lichidelor de a lua o formă geometrică de arie minimă în lipsa forțelor externe, datorată acțiunii forțelor de coeziune dintre moleculele lichidului. Această proprietate face ca porțiunea de suprafață a lichidului să fie atrasă de altă suprafață, cum ar fi cea a unei alte suprafețe de lichid, ca în cazul fuzionării picăturilor de apă sau a formării de sfere din picăturile de mercur.

Aplicând fizica newtoniană forțelor ce apar din cauza tensiunii superficiale se obțin predicții precise pentru numeroase comportamente ale lichidelor, comportamente atât de comune încât sunt în general luate ca atare. Aplicând termodinamica acelorași forțe, rezultă predicții pentru alte comportamente mai subtile ale lichidelor.

Mărimea fizică ce caracterizează tensiunea superficială este coeficientul de tensiune superficială, notată de regulă cu litera grecească σ (sigma), uneori cu γ (gamma), care este o mărime fizică intensivă, caracteristică fiecărei substanțe omogene în condiții fizice date (constantă de material)

Coeficientul de tensiune superficială are dimensiune de forță pe unitatea de lungime, sau de energie pe unitatea de arie. Cele două sunt echivalente — dar când se face referire la energie pe unitatea de arie, se preferă termenul de energie superficială — termen mai general, în sensul că se aplică și solidelor, nu doar lichidelor.

Cauze

thumb|Diagramă a forțelor ce acționează asupra a două molecule de lichid. thumb|left|Această agrafă se află sub nivelul apei, care a crescut ușor și uniform. Tensiunea superficială împiedică atât scufundarea agrafei, cât și revărsarea lichidului peste paharul albastru.

Tensiunea superficială se datorează atracției dintre moleculele lichidului prin intermediul forțelor intermoleculare. În interiorul masei lichidului, fiecare moleculă este atrasă în egală măsură în toate direcțiile de către moleculele învecinate, în condiții de echilibru termodinamic, din care cauză rezultanta tuturor forțelor este nulă, în raport cu centrul de masă al moleculei considerate. La suprafața lichidului, moleculele sunt atrase înspre interior de alte molecule aflate în adâncimea lichidului și mai puțin de moleculele din mediul învecinat (fie el vid, aer sau un alt lichid).Friș și Timoreva, op. cit, pag. 389 Astfel, toate moleculele de la suprafață sunt supuse unei forțe rezultante de atracție moleculară îndreptate spre interior, echilibrată în celălalt sens doar de rezistența la compresie a lichidului, ceea ce înseamnă o forță rezultantă nulă. Există, însă, o forță ce determină diminuarea suprafeței libere a lichidului, și în acest sens, suprafața unui lichid se aseamănă cu o membrană elastică. Din cauza aceasta, sub acțiunea forțelor moleculare din partea masei de lichid, suprafața liberă a lichidului tinde să ia forma ce corespunde celei mai mici suprafețe locale.

Din alt punct de vedere, se constată că o moleculă în contact cu o altă moleculă vecină este într-o stare de energie mai mică decât dacă nu ar fi în contact cu acea a doua moleculă. Moleculele interioare au toate numărul maxim de vecini pe care îl pot avea. Dar moleculele de la margine au mai puțini vecini decât cele interioare și deci sunt într-o stare de energie mai mare. Pentru ca lichidul să-și minimizeze starea energetică, el trebuie să minimizeze numărul de molecule de la margine și deci să-și minimizeze aria suprafeței.

Ca rezultat al minimizării ariei, suprafața unui lichid va prelua forma cea mai uniformă pe care o poate avea (demonstrația matematică a faptului că formele „uniforme” minimizează aria suprafeței se bazează pe ecuația Euler–Lagrange). Cum orice curbură a formei suprafeței duce la mărirea ariei, va rezulta și o energie mai mare. În consecință, suprafața va împinge înapoi înspre orice curbură în același fel în care o minge împinsă la deal va împinge înapoi pentru a-și minimiza energia potențială gravitațională.

Efecte vizibile în viața de zi cu zi thumb|right|Apă formând un bob de rouă pe o frunză frame|right|Apă picurând dintr-un robinet Efectele tensiunii superficiale pot fi văzute în cazul apei:

Formarea de picături de apă pe suprafața caroseriei ceruite a unui automobil. Apa are aderență slabă cu ceara și puternică cu ea însăși, și astfel apa se adună în picături. Tensiunea superficială le dă o formă cvasisferică, fiindcă sfera are cel mai mic raport între aria suprafeței și volum Formarea de picături are loc atunci când o masă de lichid este întinsă. Animația arată apa care aderă la gura robinetului și care câștigă în masă până când greutatea ei crește dincolo de punctul în care tensiunea superficială nu o mai poate ține legată de robinet. După aceea, ea se separă și tensiunea superficială formează picătura sferică. Dacă din robinet ar fi curs un flux continuu de apă, acesta s-ar fi dezmembrat în picături pe parcursul căderii. Gravitația întinde fluxul de apă, după care tensiunea superficială îl strânge în sfere. Plutirea de obiecte mai dense ca apa are loc când obiectul nu se umezește și greutatea sa este suficient de mică pentru a fi contrabalansată de forțele ce rezultă din tensiunea superficială. Separarea uleiului de apă este cauzată de o diferență între tensiunile superficiale ale lichidelor diferite. Lacrimile de vin reprezintă formarea de picături și curgeri pe marginea unui pahar ce conține o băutură alcoolică. Cauzele sale se regăsesc în interacțiunile complexe dintre tensiunile superficiale diferite între apă și etanol.

Tensiunea superficială apare și în alte fenomene comune, mai ales când se folosesc unele substanțe care o reduc:

Baloanele de săpun au suprafețe foarte mari cu volum foarte mic. Baloanele de apă pură sunt instabile. Adăugarea de surfactanți, însă, poate avea efect stabilizator asupra baloanelor (efectul Marangoni). Surfactanții reduc tensiunea superficială a apei de cel puțin trei ori. Emulsiile sunt un tip de soluție în care joacă un rol și tensiunea superficială. Mici fragmente de ulei suspendate în apă pură se adună spontan în mase mult mai mari. Dar prezența unui surfactant duce la scăderea tensiunii superficiale, care permite stabilitatea micilor picături de ulei în masa apei (sau viceversa).

Bazele fizice Două definiții thumb|300px|right|Diagramă ce prezintă, în secțiune transversală, un ac ce plutește la suprafața apei. Greutatea sa, Fw, acționează vertical în jos și este echilibrată de forțele de tensiune superficială de pe cele două laturi, Fs, tangente la suprafața apei în punctele în care ea intră în contact cu acul. Componentele orizontale ale celor doi vectori Fs sunt orientate în sens opus una față de alta și deci se anulează reciproc (fiind egale în modul, din motive de simetrie), dar componentele verticale sunt orientate în același sens (vertical, în sus) și deci se adună și echilibrează greutatea Fw. Dintre toate corpurile geometrice, forma sferică posedă, la un volum determinat, cea mai mică arie. Din acest motiv, schimbarea formei nesferice ale unei mase determinate de lichid într-o formă sferică, atrage după sine micșorarea ariei suprafeței de delimitare a lichidului de mediul înconjurător. Prin urmare, efectul forțelor presiunii moleculare, sub influența cărora lichidul ia forma sferică, este analoagă acțiunii care ar apărea dacă suprafața lichidului ar reprezenta o membrană elastică ce tinde să se contracte (strângă) Fenomenele fizice determinate de existența presiunii moleculare se pot explica prin aplicarea modelului unei astfel de membrane superficiale care delimitează volumul lichidului studiat, de mediul său înconjurător.Florea și Panaitescu, op. cit. pag. 34-35

Pentru menținerea unei membrane întinsă în echilibru static, la marginea ei trebuie să existe o forță F, tangentă la suprafața lichidului și normală la marginea suprafeței; forța aceasta se numește forță de tensiune superficială. Acestă forță este direct proporțională cu lungimea l a marginii membranei de lichid; pentru a scrie expresia matematică a forței de tensiune superficială se introduce un coeficient de proporționalitate, numit coeficientul de tensiune superficială, reprezentat prin simbolul σ și care depinde de natura lichidului. Dependența forței de tensiune superficială de lungime se exprimă prin formula: . Coeficientul tensiunii superficiale este definit ca fiind forța pe unitatea de lungime, unde forța este paralelă cu suprafața, dar perpendiculară pe direcția lungimii. Din expresia forței de tensiune se poate scrie formula de definiție a coeficientului de tensiune superficială:Dima și alții, op. cit. pag. 449 . Cu alte cuvinte, coeficientul este numeric egal cu forța aplicată pe unitatea de lungime a marginii suprafeței membranei de lichid.Murgulescu p 728-729

Un mod intuitiv de a înțelege dependența forței de lungime este exemplul dat de o peliculă plană de săpun delimitată de o buclă de ață întinsă, de lungime l. Ața va fi trasă spre interiorul peliculei (membranei) de o forță egală cu 2L (factorul numeric 2 apare din cauză că pelicula de săpun are două fețe, și deci două suprafețe, astfel încât ața se „racordează” de două ori la membrană). Tensiunea superficială are deci dimensiune de forță pe unitate de lungime. În Sistemul Internațional unitatea sa este newtonul pe metru, dar în cgs unitatea sa este dina pe cm. O dină/cm corespunde la 0,001 N/m.

O definiție echivalentă pentru coeficientul de tensiune superficială, utilă în termodinamică, este lucrul mecanic efectuat pe unitatea de suprafață. Astfel, pentru a crește aria suprafeței libere a unei mase de lichid cu o cantitate, ΔA, este necesară o cantitate de lucru mecanic ΔA. Acest lucru mecanic se transformă în energie potențială. Cum sistemele mecanice izolate încearcă să găsească o stare de energie potențială minimă, potrivit principiului acțiunii minime, o picătură liberă de lichid preia în mod natural o formă sferică, formă de suprafață minimă pentru un volum dat. thumb|300px|Lucrul mecanic al forței de tensiune superficială

Pentru deducerea relației corecte dintre energia membranei, variația ariei și coeficientul de tensiune superficială se consideră o membrană de lichid dreptunghiulară întinsă pe un cadru rigid de înălțime l, având una din înălțimi (o latură) mobilă și de masă neglijabilă (vezi figura din dreapta). În vederea determinării lucrului mecanic necesar pentru a mări aria membranei superficiale de lichid cu o cantitate ΔA, se deplasează prin translație latura mobilă a membranei pe o distanță ΔS sub acțiunea unei forțe externe F.Friș și Timoreva, op. cit., pag. 390 Procesul de întindere a membranei este unul cvasistatic, de aceea, această forță este permanent în echilibru cu rezultanta forțelor de tensiune superficială care se opun deplasării spre dreapta. În aceste condiții, lucrul mecanic efectuat de către forța F împotriva forțelor de tensiune superficială este . Conform relației de definiție a forței de tensiune superficială ; din aceste două relații rezultă expresia lucrului mecanic corespunzător creșterii ariei membranei:

Produsul este egală cu variația ΔA a ariei membranei astfel încât:

Lucrul mecanic efectuat asupra membranei contribuie la creșterea energiei potențiale a membranei, adică , de unde

Relație din care se scrie o a doua definiție pentru coeficientul de tensiune superficială:

.

Energia potențială E este fracțiunea din energia internă a membranei care pe parcursul unei transformări izoterme poate fi transformat în lucru mecanic. În termodinamică această parte a energiei se numește energie liberă (generalizat: potențialul Gibbs). Ultima relație dă definiția fizică a coeficientului , și anume: coeficientul de tensiune superficială este numeric egal cu variația energiei libere a membranei superficiale raportat la variația ariei acestei membrane.

Formulă dimensională și unități de măsură Conform analizei dimensionale, formula dimensională pentru după prima definiție se scrie sub forma: