Mỗi phân tử ở lớp mặt ngoài có chiều dày r chịu một lực hướng vào phía trong khối lỏng. Việc di chuyển phân tử trong lòng chất lỏng ra lớp mặt ngoài đòi hỏi phải tiêu thụ một công để thắng lực cản nói trên. Trường hợp khối lỏng không trao đổi năng lượng với ngoại vật thì công này được thực hiện là do sự giảm động năng của phân tử nhờ đó mà thế năng phân tử sẽ tăng lên, tương tự như trường hợp công thực hiện khi một vật chuyển động trong trọng trường từ dưới lên trên (động năng của vật giảm, thế năng của vật tăng). Ngược lại, khi phân tử đi từ lớp mặt ngoài vào trong lòng chất lỏng, nó sẽ thực hiện một công do sự giảm thế năng của phân tử để chuyển thành động năng của phân tử. Vậy mỗi phân tử ở lớp mặt ngoài khác với phân tử ở trong lòng khối lỏng là có một thế năng phụ.
Tổng thế năng phụ của các phân tử ở lớp mặt ngoài được gọi là năng lượng tự do. Năng lượng tự do (năng lượng mặt ngoài) chính là một phần nội năng của khối lỏng.
Số phân tử lớp mặt ngoài càng nhiều thì năng lượng mặt ngoài càng lớn, vì vậy năng lượng mặt ngoài tỷ lệ với diện tích mặt ngoài. Gọi E và Slà năng lượng và diện tích mặt ngoài , ta có:
S E
. (3.12)
Với là một hệ số tỉ lệ phụ thuộc loại chất lỏng gọi là hệ số sức căng mặt ngoài. Trong hệ SI , đơn vị của là J/m2.
Một hệ ở trạng thái cân bằng bền lúc thế năng cực tiểu vì vậy chất lỏng cũng sẽ ở trạng thái cân bằng bền lúc diện tích mặt ngoài của nó nhỏ nhất. Thông thường, do tác dụng của trọng lực nên chất lỏng choán phần dưới của bình chứa và mặt ngoài là mặt thoáng nằm ngang, nhưng nếu ta khử được tác dụng của trọng lực thì khối chất lỏng sẽ có dạng hình cầu tức là hình có diện tích mặt ngoài nhỏ nhất trong các hình cùng thể tích.
Hai ví dụ sau đây sẽ cho ta thấy điều đó:
+ Bỏ một ít giọt dầu vào trong dung dịch rượu cùng tỷ trọng (không hòa tan dầu); trọng lượng các giọt dầu bị triệt tiêu bởi sức đẩy acsimet nên các giọt dầu có dạng những quả cầu lơ lửng trong dung dịch.
+ Nếu lấy một khung dây thép nhúng vào nước xà phòng , ta sẽ được một màng xà phòng phủ kín khung. Thả vào đó một vòng chỉ rồi chọc thủng
màng xà phòng ở phía trong vòng chỉ, vòng chỉ sẽ trở thành vòng tròn. Sở dĩ như vậy là vì do điều kiện năng lượng cực tiểu , diện tích màng xà phòng còn lại phải nhỏ nhất tức là diện tích thủng phải lớn
M N
F l
27
nhất. Muốn vậy thì diện tích thủng phải là hình tròn, vì trong các hình cùng chu vi, hình tròn là hình có diện tích lớn nhất.