Fri energi, i termodynamik, energiliknande egenskap eller tillståndsfunktion hos ett system i termodynamisk jämvikt. Fri energi har dimensionerna av energi, och dess värde bestäms av systemets tillstånd och inte av dess historia. Fri energi används för att bestämma hur system förändras och hur mycket arbete de kan producera. Det uttrycks i två former: Helmholtz free energy F, ibland kallad arbetsfunktionen, och Gibbs free energy G. Om U är den inre energin i ett system, PV tryckvolymprodukten och TS temperatur-entropiprodukten (T är temperaturen över absolut noll), då F = U − TS och G = U + PV − TS. Den senare ekvationen kan också skrivas i formen G = H-TS, där H = U + PV är entalpin. Fri energi är en omfattande egenskap, vilket innebär att dess storlek beror på mängden av ett ämne i ett givet termodynamiskt tillstånd.
förändringarna i fri energi, UBICF eller UBICG, är användbara för att bestämma riktningen för spontan förändring och utvärdera det maximala arbetet som kan erhållas från termodynamiska processer som involverar kemiska eller andra typer av reaktioner. I en reversibel process det maximala nyttiga arbetet som kan erhållas från ett system under konstant temperatur och konstant volym är lika med den (negativa) förändringar i Helmholtz fria energi, −ΔF = −ΔU + TΔS, och det maximala nyttiga arbetet under konstant temperatur och konstant tryck (annat än arbete som utförts mot atmosfären) är lika med den (negativa) förändringar i Gibbs fria energi, −ΔG = −ΔH + TΔS. I varje fall representerar t-entropi-termen den värme som absorberas av systemet från en värmebehållare vid temperatur T under förhållanden där systemet gör maximalt arbete. Genom energibesparing inkluderar det totala arbetet också minskningen av intern energi U eller entalpi H i förekommande fall. Till exempel kommer energin för det maximala elektriska arbetet som utförs av ett batteri när det släpps ut både från minskningen av dess inre energi på grund av kemiska reaktioner och från värmen t-UBS som den absorberar för att hålla temperaturen konstant, vilket är den ideala maximala värmen som kan absorberas. För något verkligt batteri skulle det elektriska arbetet vara mindre än det maximala arbetet, och den absorberade värmen skulle vara motsvarande mindre än T UBICS.
förändringar i fri energi kan användas för att bedöma om tillståndsförändringar kan ske spontant. Under konstant temperatur och volym kommer transformationen att ske spontant, antingen långsamt eller snabbt, om Helmholtz—fri energi är mindre i det slutliga tillståndet än i det ursprungliga tillståndet-det vill säga om skillnaden KUBF mellan det slutliga tillståndet och det ursprungliga tillståndet är negativt. Under konstant temperatur och tryck kommer tillståndets omvandling att ske spontant om förändringen i Gibbs fria energi, USCG, är negativ.
fasövergångar ger lärorika exempel, som när is smälter för att bilda vatten vid 0,01 c (t = 273,16 K), med fasta och flytande faser i jämvikt. Då är sac = 79,71 kalorier per gram Den latenta fusionsvärmen, och per definition sac = sac/T = 0,292 kalorier per gram sac är entropiförändringen. Av detta följer omedelbart att UBIG = UBIH − t UBICS är noll, vilket indikerar att de två faserna är i jämvikt och att inget användbart arbete kan extraheras från fasövergången (annat än arbete mot atmosfären på grund av förändringar i tryck och volym). Vidare är UBICG negativt för T > 273,16 K, vilket indikerar att riktningen för spontan förändring är från Is till vatten och UBICG är positivt för T < 273,16 K, där den omvända reaktionen av frysning sker.