Veamos qué ocurre cuando hay una interfase líquido-gas. Sabemos que en el líquido habrá una alta concentración de partículas líquidas, y en el gas habrá una concentración muy pequeña de partículas. Esto significa que al pasar del líquido al gas veremos un gradiente de densidad continuo entre el líquido y el gas. (En la práctica, este gradiente de densidad es tan brusco que en la vida cotidiana lo consideramos un cambio discontinuo, pero en realidad es continuo).
Para ver por qué este gradiente de concentración nos da una tensión, y por qué esta tensión está en el plano de la superficie, se puede ver la situación en dos imágenes diferentes: la imagen microscópica y la imagen termodinámica. La diferencia entre las dos imágenes es que la microscópica considera cada partícula como un objeto que se mueve de forma determinista en el potencial de cada uno de los otros objetos y básicamente utiliza la mecánica newtoniana para razonar sobre lo que está sucediendo. La imagen termodinámica no se preocupa por la posición de las partículas individuales, sino que sólo piensa en la energía total del sistema. Consideremos primero la imagen microscópica.
Imagen microscópica
En la mayor parte del fluido (es decir, lejos de la superficie), cada partícula rebota con las demás. Como las partículas forman un fluido, sabemos que se atraen cuando están muy separadas. En cambio, si están muy cerca, deben repelerse, porque no puede haber dos átomos ocupando exactamente el mismo espacio. Esto significa que una partícula de la masa a veces tira de otras partículas y a veces empuja a otras partículas. Si las partículas se empujaran unas a otras más que tiraran, el líquido se expandiría, porque todo empujaría contra todo, como si el líquido intentara explotar. Por el contrario, si todas las partículas tiraran unas de otras, el líquido se contraería. Esto significa que, cuando el líquido se encuentra en su densidad de equilibrio, las partículas se empujan unas a otras tanto como tiran unas de otras.
Otra forma de ver este tira y afloja es en términos de estrés. Si todas las partículas se empujan unas a otras, se habla de tensión positiva o de compresión, y si todas las partículas tiran unas de otras, se habla de tensión negativa o de tracción. La conclusión del párrafo anterior es que las partículas no están sometidas a ninguna tensión.
También sabemos que, puesto que las partículas de la masa son atraídas en todas direcciones, no hay fuerza neta sobre ninguna partícula. Observa la diferencia entre tensión y fuerza. Si se tira de una partícula hacia la izquierda y hacia la derecha en la misma cantidad y al mismo tiempo, entonces no hay fuerza neta, pero hay un esfuerzo de tracción.
Pasemos ahora a la interfaz. En el primer párrafo de esta respuesta hemos visto que la densidad en la interfase es menor. Esto significa que las partículas están, por término medio, más alejadas unas de otras. Como sólo se repelen cuando están cerca, las partículas de la superficie deben estar tirando unas de otras más que empujándose, por lo que hay una tensión de tracción en la superficie. Además, como hay más partículas en el lado del líquido que en el del gas, una partícula también siente una fuerza neta hacia el líquido.
Ahora, la fuerza neta hacia el líquido sobre la partícula en la superficie no hará que la interfase se mueva, porque a medida que la primera partícula es succionada de vuelta al grueso del líquido, otra rebotará aleatoriamente fuera del líquido para ocupar su lugar.
Sin embargo, la tensión puede utilizarse para hacer trabajo. Dado que todas las partículas de la superficie tiran unas de otras de forma similar a una lámina elástica estirada, así es exactamente como se comportará la interfaz. Así, por ejemplo, si tenemos una película de jabón adherida a un límite móvil, las partículas líquidas de la superficie adheridas al límite tirarán de él y ese tirón moverá el límite hacia dentro, igual que lo haría una lámina elástica estirada. Nótese que todas las fuerzas relevantes están en el plano de la lámina. Esto debería explicar la imagen microscópica.
Imagen termodinámica
En la imagen termodinámica, no considero que haya ninguna fuerza neta sobre una perla en la superficie. Existe una fuerza energética en la dirección del líquido debido a las interacciones, pero considero que está equilibrada por una fuerza de "difusión" entrópica generada por el gradiente de concentración. Esta fuerza de difusión hace que las partículas quieran ir de una concentración alta a una concentración baja. Por lo tanto, apunta hacia el gas. Así, en equilibrio, no hay fuerza en ninguna parte por lo que nada debería cambiar.
Sin embargo, existe una tensión en la superficie. Esto se puede observar porque una partícula en la superficie sólo experimenta la mitad de la energía de interacción que se supone que debe experimentar. Por tanto, hay que pagar cierta energía para crear una unidad de superficie. La tensión superficial es exactamente la constante de proporcionalidad entre energía y superficie. Como la energía no cambia si mueves la interfase en la dirección normal a la interfase, no hay componente de tensión normal a la interfase, por lo que la tensión está totalmente en el plano de la interfase. Y es una tensión de tracción porque quiere reducir el área, lo que se consigue mediante la contracción de la interfaz hacia el interior.
