fri energi, i termodynamik, energilignende egenskab eller tilstandsfunktion af et system i termodynamisk ligevægt. Fri energi har dimensioner af energi, og dens værdi bestemmes af systemets tilstand og ikke af dets historie. Fri energi bruges til at bestemme, hvordan systemer ændrer sig, og hvor meget arbejde de kan producere. Det udtrykkes i to former: fri energi F, undertiden kaldet arbejdsfunktionen, og Gibbs fri energi G. Hvis U er den indre energi i et system, PV trykvolumenproduktet og TS temperaturentropiproduktet (T er temperaturen over absolut nul), så F = U-TS og G = u + PV − TS. Sidstnævnte ligning kan også skrives i form G = H – TS, hvor H = U + PV er entalpien. Fri energi er en omfattende egenskab, hvilket betyder, at dens størrelse afhænger af mængden af et stof i en given termodynamisk tilstand.
ændringerne i fri energi, PRISTF eller PRISTG, er nyttige til bestemmelse af retningen for spontan ændring og evaluering af det maksimale arbejde, der kan opnås fra termodynamiske processer, der involverer kemiske eller andre typer reaktioner. I en reversibel proces den maksimale nyttigt arbejde, der kan opnås fra et system under konstant temperatur og konstant volumen er lig med den (negative) ændring i Helmholtz fri energi, −ΔF = −ΔU + TΔS, og den maksimale nyttigt arbejde under konstant temperatur og konstant pres (andre end arbejde, der er gjort mod atmosfæren) er lig med (negativ) ændring i Gibbs frie energi, −ΔG = −ΔH + TΔS. I hvert tilfælde repræsenterer t-Karrs entropi-udtrykket den varme, der absorberes af systemet fra et varmereservoir ved temperatur T under forhold, hvor systemet udfører maksimalt arbejde. Ved bevarelse af energi inkluderer det samlede arbejde også faldet i intern energi U eller entalpi H alt efter tilfældet. For eksempel kommer energien til det maksimale elektriske arbejde, der udføres af et batteri, når det aflades, både fra faldet i dets indre energi på grund af kemiske reaktioner og fra varmen t-Krists, det absorberer for at holde temperaturen konstant, hvilket er den ideelle maksimale varme, der kan absorberes. For ethvert faktisk batteri ville det udførte elektriske arbejde være mindre end det maksimale arbejde, og den absorberede varme ville være tilsvarende mindre end T-kr.
ændringer i fri energi kan bruges til at bedømme, om tilstandsændringer kan forekomme spontant. Under konstant temperatur og volumen vil transformationen ske spontant, enten langsomt eller hurtigt, hvis Helmholtsfri energi er mindre i den endelige tilstand end i den oprindelige tilstand—det vil sige, hvis forskellen mellem den endelige tilstand og den oprindelige tilstand er negativ. Under konstant temperatur og tryk vil transformationen af tilstand ske spontant, hvis ændringen i Gibbs fri energi, larg, er negativ.
faseovergange giver lærerige eksempler, som når isen smelter til dannelse af vand ved 0,01 liter C (T = 273,16 K) med de faste og flydende faser i ligevægt. Derefter er lart = 79,71 kalorier pr.gram den latente fusionsvarme, og pr. definition er lart = lart/T = 0,292 kalorier pr. Det følger straks, at PRISTG = PRITH-T er nul, hvilket indikerer, at de to faser er i ligevægt, og at der ikke kan udvindes noget nyttigt arbejde fra faseovergangen (bortset fra arbejde mod atmosfæren på grund af ændringer i tryk og volumen). Endvidere er KRISHG negativ for T > 273.16 K, hvilket indikerer, at retningen for spontan ændring er fra Is til vand, og at KRISHG er positiv for T < 273.16 K, hvor den omvendte reaktion af frysning finder sted.