vapaa energia, termodynamiikassa systeemin energiamainen ominaisuus tai tilafunktio termodynaamisessa tasapainossa. Vapaalla energialla on energian mitat, ja sen arvo määräytyy systeemin tilan eikä sen historian mukaan. Vapaata energiaa käytetään määrittämään, miten järjestelmät muuttuvat ja kuinka paljon työtä ne voivat tuottaa. Se ilmaistaan kahdessa muodossa: Helmholtzin vapaa energia F, jota joskus kutsutaan työfunktioksi, ja Gibbsin vapaa energia G. Jos U on systeemin sisäenergia, PV painetilavuustuote ja TS lämpötila-entropiatuote (t on lämpötila absoluuttisen nollan yläpuolella), niin F = U-TS ja G = U + PV − TS. Jälkimmäinen yhtälö voidaan kirjoittaa myös muodossa G = H-TS, jossa H = U + PV on entalpia. Vapaa energia on laaja ominaisuus, eli sen suuruus riippuu jonkin aineen määrästä tietyssä termodynaamisessa tilassa.
vapaan energian, ΔF: n tai ΔG: n, muutokset ovat hyödyllisiä määriteltäessä spontaanin muutoksen suuntaa ja arvioitaessa suurinta mahdollista työtä, joka saadaan termodynaamisista prosesseista, joihin liittyy kemiallisia tai muuntyyppisiä reaktioita. Palautuvassa prosessissa suurin hyödyllinen työ, joka voidaan saada järjestelmästä vakiolämpötilassa ja vakiotilavuudessa, on yhtä suuri kuin Helmholtzin vapaan energian (negatiivinen) muutos, −ΔF = −ΔU + TΔS, ja suurin hyödyllinen työ vakiolämpötilassa ja vakiopaineessa (muu kuin ilmakehää vastaan tehty työ) on yhtä suuri kuin Gibbsin vapaan energian (negatiivinen) muutos, −ΔG = −ΔH + TΔS. Kussakin tapauksessa TΔS-entropiatermi tarkoittaa lämpöä, jonka järjestelmä absorboi lämpösäiliöstä lämpötilassa T olosuhteissa, joissa järjestelmä tekee maksimaalista työtä. Energian säästämisen kautta tehty kokonaistyö sisältää myös sisäenergian U: n tai entalpian H: n vähenemisen tapauksen mukaan. Esimerkiksi energia akun maksimaaliseen sähkötyöhön, kun se purkautuu, tulee sekä sen sisäisen energian vähenemisestä kemiallisten reaktioiden vuoksi että lämmöstä TΔS, jonka se absorboi pitääkseen lämpötilansa vakiona, mikä on ihanteellinen maksimilämpö, joka voidaan absorboida. Mitä tahansa varsinaista akkua varten tehty Sähkötyö olisi pienempi kuin maksimityö ja absorboitunut lämpö vastaavasti pienempi kuin TΔS.
vapaan energian muutoksia voidaan käyttää arvioimaan, voivatko olomuutokset tapahtua spontaanisti. Vakiolämpötilassa ja—tilavuudessa muutos tapahtuu spontaanisti, joko hitaasti tai nopeasti, jos Helmholtzin vapaa energia on lopullisessa tilassa pienempi kuin alkutilassa-eli jos LOPPUTILAN ja alkutilan välinen ero ΔF on negatiivinen. Vakiolämpötilassa ja-paineessa tilan muutos tapahtuu spontaanisti, jos Gibbsin vapaan energian eli ΔG: n muutos on negatiivinen.
Faasitransitiot ovat opettavaisia esimerkkejä, kuten kun jää sulaa muodostaen vettä 0,01 °C: n lämpötilassa (T = 273,16 K), jolloin kiinteä ja nestemäinen faasi ovat tasapainossa. Silloin ΔH = 79,71 kaloria grammaa kohti on fuusiolämpö, ja määritelmän mukaan ΔS = ΔH / T = 0,292 kaloria grammaa kohden∙Kis entropian muutos. Tästä seuraa välittömästi, että ΔG = ΔH − TΔS on nolla, mikä osoittaa, että nämä kaksi vaihetta ovat tasapainossa ja että faasimuutoksesta ei voida poistaa mitään hyödyllistä työtä (muuta kuin paineen ja tilavuuden muutoksista johtuvaa työtä ilmakehää vastaan). Lisäksi ΔG on negatiivinen T > 273,16 K, mikä osoittaa, että spontaanin muutoksen suunta on jäästä veteen, ja ΔG on positiivinen t < 273,16 K, jossa tapahtuu jäätymisen käänteisreaktio.