Energía libre, en termodinámica, propiedad similar a la energía o función de estado de un sistema en equilibrio termodinámico. La energía libre tiene las dimensiones de la energía, y su valor está determinado por el estado del sistema y no por su historia. La energía libre se utiliza para determinar cómo cambian los sistemas y cuánto trabajo pueden producir. Se expresa en dos formas: la energía libre de Helmholtz F, a veces llamada función de trabajo, y la energía libre de Gibbs G. Si U es la energía interna de un sistema, PV el producto de presión y volumen, y TS el producto de entropía de temperatura (T es la temperatura por encima del cero absoluto), entonces F = U-TS y G = U + PV − TS. La última ecuación también se puede escribir en la forma G = H – TS, donde H = U + PV es la entalpía. La energía libre es una propiedad extensa, lo que significa que su magnitud depende de la cantidad de una sustancia en un estado termodinámico dado.
Los cambios en la energía libre, ΔF o ΔG, son útiles para determinar la dirección del cambio espontáneo y evaluar el trabajo máximo que se puede obtener de procesos termodinámicos que involucran reacciones químicas u otros tipos de reacciones. En un proceso reversible, el trabajo útil máximo que se puede obtener de un sistema a temperatura y volumen constantes es igual al cambio (negativo) en la energía libre de Helmholtz, −ΔF = −ΔU + TΔS, y el trabajo útil máximo a temperatura y presión constantes (que no sea el trabajo realizado contra la atmósfera) es igual al cambio (negativo) en la energía libre de Gibbs, −ΔG = −ΔH + TΔS. En cada caso, el término entropía TΔS representa el calor absorbido por el sistema de un depósito de calor a temperatura T en condiciones en las que el sistema hace el máximo trabajo. Por conservación de energía, el trabajo total realizado también incluye la disminución de la energía interna U o entalpía H, según sea el caso. Por ejemplo, la energía para el trabajo eléctrico máximo realizado por una batería a medida que se descarga proviene tanto de la disminución de su energía interna debido a reacciones químicas como del calor TΔ que absorbe para mantener su temperatura constante, que es el calor máximo ideal que se puede absorber. Para cualquier batería real, el trabajo eléctrico realizado sería menor que el trabajo máximo, y el calor absorbido sería correspondientemente menor que TΔS.
Los cambios en la energía libre se pueden utilizar para juzgar si los cambios de estado pueden ocurrir espontáneamente. Bajo temperatura y volumen constantes, la transformación ocurrirá espontáneamente, lenta o rápidamente, si la energía libre de Helmholtz es menor en el estado final que en el estado inicial, es decir, si la diferencia ΔF entre el estado final y el estado inicial es negativa. Bajo temperatura y presión constantes, la transformación de estado ocurrirá espontáneamente si el cambio en la energía libre de Gibbs, ΔG, es negativo.
Las transiciones de fase proporcionan ejemplos instructivos, como cuando el hielo se derrite para formar agua a 0,01 ° C (T = 273,16 K), con las fases sólida y líquida en equilibrio. Luego ΔH = 79.71 calorías por gramo es el calor latente de fusión, y por definición ΔS = ΔH/T = 0.292 calorías por gramo∙Kis el cambio de entropía. Se deduce inmediatamente que ΔG = ΔH − TΔS es cero, lo que indica que las dos fases están en equilibrio y que no se puede extraer ningún trabajo útil de la transición de fase (que no sea el trabajo contra la atmósfera debido a cambios en la presión y el volumen). Además, ΔG es negativo para T > 273.16 K, lo que indica que la dirección del cambio espontáneo es de hielo a agua, y ΔG es positivo para T < 273.16 K, donde se produce la reacción inversa de congelación.