szabad energia, termodinamikában, energiaszerű tulajdonságban vagy egy rendszer állapotfunkciójában termodinamikai egyensúlyban. A szabad energia az energia dimenzióival rendelkezik, értékét a rendszer állapota határozza meg, nem pedig a története. A szabad energiát arra használják, hogy meghatározzák, hogyan változnak a rendszerek, és mennyi munkát tudnak előállítani. Két formában fejeződik ki: a Helmholtz szabad energiája F, amelyet néha munkafunkciónak neveznek, a Gibbs szabad energiája G. Ha U egy rendszer belső energiája, akkor PV A nyomás-térfogat termék, TS pedig a hőmérséklet-entrópia termék( T az abszolút nulla feletti hőmérséklet), majd F = U-TS és G = U + PV-TS. Ez utóbbi egyenlet G = H – TS formában is írható, ahol H = U + PV az entalpia. A szabad energia kiterjedt tulajdonság, ami azt jelenti, hogy nagysága az adott termodinamikai állapotban lévő anyag mennyiségétől függ.
a szabad energia, ΔF vagy ΔG változásai hasznosak a spontán változás irányának meghatározásában, valamint a kémiai vagy más típusú reakciókat érintő termodinamikai folyamatokból nyert maximális munka értékelésében. Egy reverzibilis folyamat során a maximális hasznos munka, amely egy állandó hőmérsékletű és állandó térfogatú rendszerből nyerhető, megegyezik a Helmholtz szabad energiájának (negatív) változásával, – ΔF = – ΔU + TΔS, és a maximális hasznos munka állandó hőmérsékleten és állandó nyomáson (a légkör ellen végzett munka kivételével) megegyezik a Gibbs szabad energiájának (negatív) változásával, −ΔG = −ΔH + TΔS. Minden esetben a TΔS entrópia kifejezés azt a hőt jelenti, amelyet a rendszer a T hőmérsékleten lévő hőtartályból abszorbeál, olyan körülmények között, ahol a rendszer maximális munkát végez. Az energia megőrzésével az elvégzett teljes munka magában foglalja az U belső energia vagy az entalpy H csökkenését is. Például az akkumulátor által végzett maximális elektromos munka energiája, mivel kisül, mind a kémiai reakciók miatti belső energiájának csökkenéséből, mind az elnyelt hőből származik, hogy hőmérséklete állandó maradjon, ami az ideális maximális hő, amely felszívódhat. Minden tényleges akkumulátor esetében az elvégzett elektromos munka kevesebb lenne, mint a maximális munka, és az elnyelt hő ennek megfelelően kevesebb lenne, mint a TΔS.
a szabad energia változásai felhasználhatók annak megítélésére, hogy az állapotváltozások spontán módon fordulhatnak-e elő. Állandó hőmérséklet és térfogat mellett az átalakulás spontán történik, akár lassan, akár gyorsan, ha a Helmholtz szabad energia kisebb a végső állapotban, mint a kezdeti állapotban—vagyis ha a ΔF különbség a végső állapot és a kezdeti állapot között negatív. Állandó hőmérséklet és nyomás esetén az állapot transzformációja spontán történik, ha a Gibbs szabad energiájának, ΔG-nek a változása negatív.
a fázisátmenetek tanulságos példákat szolgáltatnak, például amikor a jég 0,01 °C-on (T = 273,16 K) olvad, miközben a szilárd és folyékony fázisok egyensúlyban vannak. Ezután ΔH = 79,71 kalória grammonként a fúzió látens hője, definíció szerint ΔS = ΔH/T = 0,292 kalória grammonként∙Kis az entrópia változása. Azonnal következik, hogy ΔG = ΔH-TΔS nulla, ami azt jelzi, hogy a két fázis egyensúlyban van, és hogy a fázisátmenetből nem lehet hasznos munkát kivonni (kivéve a légkörrel szembeni munkát a nyomás és a térfogat változása miatt). Ezenkívül a ΔG negatív a T > 273,16 K esetében, jelezve, hogy a spontán változás iránya jégről vízre, a ΔG pedig pozitív a T < 273,16 K esetében, ahol a fagyasztás fordított reakciója zajlik.