Energia swobodna-w termodynamice własność energetyczna lub funkcja stanu układu w równowadze termodynamicznej. Darmowa energia ma wymiary energii, a jej wartość zależy od stanu systemu, a nie od jego historii. Darmowa energia jest używana do określenia, jak zmieniają się systemy i ile pracy mogą wyprodukować. Wyraża się ona w dwóch postaciach: energii swobodnej Helmholtza F, nazywanej czasem funkcją pracy, oraz energii swobodnej Gibbsa G. Jeśli U jest energią wewnętrzną układu, PV produktem ciśnienia-objętości, a TS produktem entropii temperatury (T jest temperaturą powyżej zera bezwzględnego), to F = U − TS I G = U + PV − TS. To ostatnie równanie można również zapisać w postaci G=H-TS, gdzie H = U + PV jest entalpią. Darmowa energia jest rozległą własnością, co oznacza, że jej wielkość zależy od ilości substancji w danym stanie termodynamicznym.
zmiany energii swobodnej, ΔF lub ΔG, są przydatne w określaniu kierunku spontanicznej zmiany i ocenie maksymalnej pracy, jaką można uzyskać w procesach termodynamicznych obejmujących reakcje chemiczne lub inne rodzaje reakcji. W procesie odwracalnym maksymalna użyteczna praca, jaką można uzyskać z układu w stałej temperaturze i stałej objętości, jest równa (ujemnej) zmianie energii swobodnej Helmholtza, −ΔF = −ΔU + TΔS, a maksymalna użyteczna praca w stałej temperaturze i stałym ciśnieniu (inna niż praca wykonana przeciwko atmosferze) jest równa (ujemnej) zmianie energii swobodnej Gibbsa, −ΔG = −ΔH + TΔS. W każdym przypadku termin entropii TΔS oznacza ciepło pochłonięte przez układ ze zbiornika ciepła w temperaturze T w warunkach, w których układ wykonuje maksymalną pracę. Zachowując energię, całkowita praca obejmuje również spadek energii wewnętrznej U lub entalpię h, W zależności od przypadku. Na przykład energia dla maksymalnej pracy elektrycznej wykonanej przez akumulator podczas rozładowywania pochodzi zarówno ze spadku jego wewnętrznej energii spowodowanej reakcjami chemicznymi, jak i z ciepła tδ, które pochłania, aby utrzymać stałą temperaturę, co jest idealnym maksymalnym ciepłem, które może zostać pochłonięte. Dla każdej rzeczywistej baterii wykonywana praca elektryczna byłaby mniejsza niż maksymalna praca, a pochłonięte ciepło byłoby odpowiednio mniejsze niż TΔS.
zmiany w darmowej energii można wykorzystać do oceny, czy zmiany stanu mogą wystąpić spontanicznie. W stałej temperaturze i objętości transformacja nastąpi spontanicznie, powoli lub szybko, jeśli energia swobodna Helmholtza jest mniejsza w stanie końcowym niż w stanie początkowym-to znaczy, jeśli różnica ΔF między stanem końcowym a stanem początkowym jest ujemna. W stałej temperaturze i ciśnieniu transformacja stanu zachodzi spontanicznie, jeśli zmiana energii swobodnej Gibbsa, ΔG, jest ujemna.
przejścia fazowe dostarczają pouczających przykładów, jak gdy lód topi się, tworząc wodę w temperaturze 0,01 °C (T = 273,16 K), z fazami stałymi i ciekłymi w równowadze. Następnie ΔH = 79,71 kalorii na gram jest utajonym ciepłem fuzji, a z definicji ΔS=ΔH/T = 0,292 kalorii na gram∙Kis zmiana entropii. Wynika z tego od razu, że ΔG = ΔH-TΔS jest równe zeru, co wskazuje, że obie fazy są w równowadze i że z przejścia fazowego nie można wydobyć żadnej użytecznej pracy (innej niż praca przeciwko atmosferze ze względu na zmiany ciśnienia i objętości). Ponadto ΔG jest ujemne dla T > 273,16 K, co oznacza, że kierunek spontanicznej zmiany jest z lodu na wodę, a ΔG jest dodatnie dla T < 273,16 K, gdzie zachodzi odwrotna reakcja zamarzania.