自由エネルギー、熱力学、熱力学的平衡におけるシステムのエネルギーのようなプロパティまたは状態関数。 自由エネルギーはエネルギーの次元を持ち、その価値はシステムの状態によって決定され、その歴史によって決定されるものではありません。 自由エネルギーは、システムがどのように変化し、どのくらいの仕事を生み出すことができるかを決定するために使用されます。 ヘルムホルツ自由エネルギー F（仕事関数とも呼ばれる）とギブス自由エネルギー Gの二つの形式で表される。 Uを系の内部エネルギー、PVを圧力-体積積、TSを温度-エントロピー積（Tは絶対零度以上の温度）とすると、F=U−TS、G=U+PV−TSとなる。 後者の方程式は、G=H–TSの形式で書くこともできます。h=U+PVはエンタルピーです。 自由エネルギーは広範な特性であり、その大きさは所与の熱力学的状態における物質の量に依存することを意味する。
自由エネルギーの変化、Δ FまたはΔ Gは、自発的変化の方向を決定し、化学的または他のタイプの反応を含む熱力学的プロセスから得られる最大の仕事を評価するのに有用である。 可逆過程では、一定の温度と一定の体積の下でシステムから得ることができる最大有用な仕事は、ヘルムホルツ自由エネルギーの（負の）変化、−Δ F=−Δ U+T Δ Sに等しく、一定の温度と一定の圧力の下での最大有用な仕事（大気に対して行われた仕事以外）は、ギブス自由エネルギーの（負の）変化、−Δ G=−Δ H+T Δ Sに等しい。 いずれの場合も、T Δ Sエントロピー項は、システムが最大の作業を行う条件下で、温度Tで熱貯留層からシステムによって吸収された熱を表す。 エネルギーの保存によって、なされる総仕事はまた場合によっては内部エネルギー Uまたはエンタルピー Hの減少を含んでいるかもしれない。 例えば、電池が放電する際に行われる最大電気作業のエネルギーは、化学反応による内部エネルギーの減少と、吸収される理想的な最大熱である温度を一定に保つために吸収される熱T Δ Sの両方から来ます。 実際のバッテリの場合、行われる電気的作業は最大作業よりも少なくなり、吸収される熱はそれに応じてT Δ Sよりも小さくなります。自由エネルギーの変化は、状態の変化が自発的に起こるかどうかを判断するために使用することができます。
自由エネルギーの変化は、状態の変化が自 一定の温度と体積の下で、ヘルムホルツ自由エネルギーが初期状態よりも最終状態で小さい場合、すなわち最終状態と初期状態の差Δ Fが負である場合、変態はゆっくりとまたは急速に自発的に起こる。 一定の温度と圧力の下で、ギブス自由エネルギー Δ Gの変化が負である場合、状態の変換が自発的に起こる。
相転移は、氷が溶けて0.01℃（T=273.16K）で水を形成し、固相と液相が平衡状態にあるときのような有益な例を提供します。
相転移は、氷が0.01℃（T=273.16K）で水を形成するような有益な例を提供します。 このとき、Δ H=79.71カロリー/グラムは融解潜熱であり、定義により、Δ S=Δ H/T=0.292カロリー/グラムはエントロピー変化である。 Δ G=Δ H−T Δ Sはゼロであり、二つの相が平衡状態にあり、相転移から有用な仕事を抽出することができないことを示している（圧力と体積の変化による大気に対する仕事を除く）。 さらに、Δ Gはt>273.16Kに対して負であり、自発的な変化の方向が氷から水へであることを示し、Δ Gはt<273.16Kに対して正である。