Volný povrch kapaliny (řádově mm) má podobné vlastnosti jako tenká pružná blána. O pružnosti volného povrchu kapaliny svědčí i vytváření kapek na konci neúplně zavřeného vodovodního kohoutku. Kapka se jeví jako pružný balónek, ve kterém je voda.
Na každou molekulu kapaliny působí přitažlivými silami sousední molekuly. Kolem každé molekuly si můžeme představit kouli s takovým poloměrem, že síly, kterými na tuto vybranou molekulu působí molekuly mimo tuto kouli, jsou zanedbatelné. Myšlenou kouli nazýváme sféra molekulového působení a zavedl ji v roce 1845 Pierre Laplace. Její poloměr se řádově rovná 1 nm.
Molekuly kapaliny a jejich silové působení.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Je–li sféra molekulového působení uvnitř kapaliny, pak se přitažlivé síly, kterými molekuly v této sféře působí na uvažovanou molekulu ze všech stran, navzájem ruší. V jiné situaci je molekula na volném povrchu kapaliny, neboť její sféra zasahuje do plynného prostředí. Vzájemné přitažlivé působení této molekuly s molekulami plynu je slabší, než s molekulami kapaliny. Proto výslednice všech přitažlivých sil, které působí na zvolenou molekulu, má směr dovnitř kapaliny a je kolmá k volnému povrchu kapaliny. Stejný závěr platí i pro molekuly, které se nacházejí v povrchové vrstvě o tloušťce rovné poloměru sféry molekulového působení.
Na posunutí molekuly z vnitřku kapaliny do její povrchové vrstvy je třeba vykonat práci. Proto mají molekuly povrchové vrstvy větší potenciální energii ve srovnání s molekulami uvnitř kapaliny. Rozdíl mezi potenciální energií, kterou mají molekuly v její povrchové vrstvě, a potenciální energií, kterou by měly tytéž molekuly uvnitř kapaliny vzhledem k sousedním molekulám, se nazývá povrchová energie kapaliny. Je jednou ze složek vnitřní energie kapaliny.
Zvětšením volného povrchu kapaliny roste její povrchová energie. Změna povrchové energie ΔE je přímo úměrná změně obsahu ΔS volného povrchu kapaliny
Konstanta úměrnosti σ se nazývá povrchové napětí (jednotka N/m). Závisí na druhu kapaliny a prostředí nad volným povrchem kapaliny. S rostoucí teplotou povrchové napětí klesá.
Každá soustava přechází do takového stavu, v němž má minimální potenciální energii. Pro kapalinu to znamená, že v rovnovážném stavu nabývá hladina s daným objemem tvaru s nejmenším obsahem volného povrchu. Při daném objemu má ze všech těles nejmenší obsah povrchu koule. Proto např. volné kapky mlhy nebo rosy mají kulový tvar.
Kulový tvar mají také broky. Odlévají se tak, že se nechávají odkapávat z velké výšky do studené vody, kde ztuhnou v podobě zcela pravidelných kuliček. Takto lité broky se nazývají "věžní", protože při výrobě padají z vrcholu brokárenské věže až 45 metrů vysoké. Nahoře je odlévací zařízení s tavicími kotli, dole nádrž s vodou. Odlité broky se ještě třídí a rozdělují. Kapka roztaveného olova tuhne v brok již během pádu; nádrž s vodou je tu jen proto, aby ztlumila dopad broku a zabránila tak porušení jeho kulového tvaru.
K určení velikosti povrchového napětí použijeme drát ohnutý podle následujícího obrázku s pohyblivou vidlicí.
Zařízení k určení povrchového napětí.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Na okraje povrchové blány délky l působí kolmo povrchová síla F, o jejíž velikosti můžeme říct, že závisí na délce okraje l (čím delší okraj, tím větší povrchová síla) a druhu použité kapaliny. Velikost povrchového napětí σ můžeme vyjádřit jako
Povrchové napětí má bohaté využití v praxi i v přírodě. Mytí, praní, holení jde velmi těžko ve studené vodě. Studená voda má vysoké povrchové napětí a špatně smáčí nečistoty. Ohřátím nebo přidáním látek, snižujících povrchové napětí – mýdla, saponátů apod. se povrchové napětí sníží, nečistoty se lépe smáčí a tím i odstraní. Stejně můžeme postupovat i při flotaci, která spočívá v oddělování hlušiny od těžené látky (železa, zlata apod.). Kapalina s vhodně upraveným povrchovým napětím (voda + saponát) způsobí, že hlušina bude smáčena a klesne ke dnu a nemáčená látka, na níž se vytvoří vzduchové bublinky vyplave na hladinu. Existence povrchového napětí vysvětluje takové jevy, jako je pohyb drobného hmyzu po vodní hladině, „plavání“ drobných předmětů (žiletka, jehla, hliníková mince) na hladině vody. Povrchové napětí brání vypadnutí kontaktní čočky z oka. V oku se mezi kontaktní čočkou a rohovkou vytvoří vrstvička slz. Kdyby se chtěla čočka od oka vzdálit, musel by se zvětšit povrch rozhraní kapalina–vzduch, ale tomu brání povrchové napětí.
V zemědělství se můžeme setkat s jevem povrchového napětí při přípravě chemických postřiků na rostliny. Vhodně upravený postřik je rozprašován na zemědělské rostliny. Aplikovaná kapalina však ulpí jenom na vybraném druhu rostlin.
