Dentro de una masa sólida, las moléculas están rodeadas por moléculas idénticas con medidas de energía similares. Sin embargo, en la superficie del sólido, es probable que las moléculas estén en contacto con el aire y, a veces, con líquidos u otras masas de diferentes medidas de energía. Como resultado, las mediciones de energía superficial son siempre diferentes de las que se encuentran dentro de la masa de un sólido.
Las tres fases (sólida, líquida y aérea) tienen energías y tensiones superficiales medibles. Las moléculas tienen tanto lo que se llama «unidades adhesivas» como «unidades cohesivas» que gobiernan las formas en las que interactúan con las moléculas que las rodean. Los impulsores adhesivos buscan unirse con otros tipos de moléculas, mientras que los impulsores cohesivos buscan unirse con moléculas similares. Si los impulsos cohesivos son más prominentes, las moléculas líquidas solo formarán gotas en una superficie cuando resistan otras moléculas; lo contrario es cierto si las unidades adhesivas son más prominentes.
Las mediciones de energía superficial, tensión superficial y tensión de densidad superficial analizan el comportamiento de humectación entre líquidos y sólidos cuando los científicos están probando las propiedades termodinámicas de los sólidos. Cuando las moléculas líquidas en una superficie sólida se forman en cohesión, los científicos pueden medir el ángulo de contacto de esas moléculas en la superficie sólida. Esta medición del ángulo de contacto se toma con un instrumento llamado goniómetro, que determina en qué grado la cohesión o adherencia están en ascenso. En este caso, otras dos fuerzas pueden influir en la energía superficial. Si la superficie es rugosa o se conoce como hidrofóbica, esto hace que los líquidos formen gotas en ángulos más altos; a la inversa, cuando una superficie es hidrófila, una gota de líquido puede extenderse para cubrir la mayor parte de la superficie que puedan alcanzar las moléculas de líquido.
Las mediciones de energía superficial se toman generalmente a temperaturas extremadamente altas, cuando los sólidos reaccionan por leves movimientos bajo el estrés del calor pero el volumen es casi constante. Las mediciones de la energía de la superficie líquida se toman usando lo que se llama un «tramo de membrana líquida» del área de la superficie. Un método, llamado Método Dinámico de Wilhelmy, implica sumergir un sólido en un líquido cuya tensión superficial se ha medido previamente y luego medir las fuerzas de humectación a medida que el sólido se libera del líquido. Otro método, llamado Método del ángulo de contacto del polvo, se utiliza cuando los científicos necesitan conocer los niveles de absorción y las energías superficiales de los materiales y polvos porosos.
Las aplicaciones prácticas de estas mediciones de energía superficial y procedimientos de prueba benefician el desarrollo de productos industriales y de consumo. Los metales recubiertos con polímeros se basan en el conocimiento de los científicos sobre adhesión y cohesión para su resistencia y durabilidad. Las mediciones de energía superficial de los materiales se toman para aplicaciones de oxidación y enlaces químicos. En litografía, las tintas deben aplicarse de manera que las áreas de la imagen absorban tintas y las áreas sin imagen permanezcan libres de tintas; La investigación de la energía superficial ha perfeccionado estos procesos.