在表面科學中，表面自由能（也稱為界面自由能或表面能）量化了創建表面時發生的分子間鍵的破壞。 在固態物理學中，表面本質上必須比材料主體更不利于能量（表面上的原子與主體中的原子相比具有更多的能量），否則就會有創建表面的驅動力， 去除大部分材料（見升華）。 因此，表面能可以定義為材料表面與體積相比的多余能量，或者它是構建特定表面區域所需的功。 查看表面能的另一種方法是將其與切割大塊樣品所需的工作聯系起來，創建兩個表面。 由于兩個表面上現在不完整、未實現的結合，因此存在多余的能量。

將固體切割成碎片會破壞其鍵合并增加表面積，從而增加表面能。 如果切割是可逆進行的，那么能量守恒意味著切割過程消耗的能量將等于兩個新表面所產生的固有能量。 因此，在所有其他條件相同的情況下，材料的單位表面能將是其內聚能的一半； 實際上，這僅適用于在真空中新鮮制備的表面。 表面經常改變它們的形式，遠離上面暗示的簡單的切割鍵模型。 發現它們是高度動態的區域，很容易重新排列或發生反應，因此能量通常會因鈍化或吸附等過程而降低。

測量表面能的最常見方法是通過接觸角實驗。 在這種方法中，表面的接觸角是用幾種液體測量的，通常是水和二碘甲烷。 根據接觸角結果和液體的表面張力，可以計算出表面能。 實際上，這種分析是由接觸角計自動完成的。

有幾種不同的模型可用于根據接觸角讀數計算表面能。 最常用的方法是 OWRK，它需要使用兩種探測液體，結果給出總表面能，并將其分為極性和色散分量。

接觸角法是標準的表面能測量方法，因為它簡單、適用于廣泛的表面和快速。 測量可以完全自動化并且是標準化的。

液體的表面能可以通過拉伸液膜（這會增加表面積并因此增加表面能）來測量。 在這種情況下，為了將大量液體的表面積增加 δA，需要做功 γ δA（其中 γ 是液體的表面能密度）。 然而，這種方法不能用于測量固體的表面能，因為固體膜的拉伸除了增加表面能外還會在體積中產生彈性能。

固體的表面能通常在高溫下測量。 在這樣的溫度下，固體會蠕變，即使表面積發生變化，體積仍大致保持不變。 如果 γ 是半徑為 r、長度為 l 的圓柱棒在高溫和恒定單軸張力 P 下的表面能密度，則在平衡時，總亥姆霍茲自由能的變化消失

其中 F 是亥姆霍茲自由能，A 是桿的表面積：

A = 2 π r 2 + 2 π r l ? δ A = 4 π r δ r + 2 π l δ r + 2 π r δ l {\displaystyle A=2\pi r{2}+2\pi rl\quad \意味著 \quad \delta A=4\pi r\delta r+2\pi l\delta r+2\pi r\delta l}

此外，由于桿的體積 (V) 保持不變，因此體積的變化 (δV) 為零，即，

因此，表面能密度可以表示為

γ = P l π r ( l ? 2 r ) 。 {\displaystyle \gamma ={\frac {Pl}{\pi r(l-2r)}}~.}

固體的表面能密度可以通過測量平衡時的 P、r 和 l 來計算。

僅當固體是各向同性時此方法才有效，這意味著所有晶體取向的表面能都相同。 雖然這僅適用于無定形固體（玻璃）和液體，但各向同性是一個很好的近似值 f。