Fri energi

Fri energi er et begrep innen I termodynamikken som betegner den mengden nyttig energi man kan få ut av et termisk system i form av mekanisk, elektrisk eller annen form for arbeid. Systemet har alltid en indre energi, men denne kan ikke uten videre benyttes til praktiske formål. For eksempel inneholder verdenshavene store mengder varmeenergi som man kunne tro kunne benyttes som en energikilde. Det ville være tillatt ifølge termodynamikkens første hovedsetning som sier at en energiform er ekvivalent med en annen. Men termodynamikkens andre hovedsetning kommer inn som en begrensing og gjør en slik utnyttelse ikke uten videre mulig. I alle prosesser er det bare en del av den tilgjengelige energien som man kan gjøre bruk av. Denne delen blir kalt den fri energi da den er tilgjengelig.

Mengden fri energi som kan utnyttes i en prosess som skjer under konstant volum V, ble først funnet av den tyske fysiker Hermann von Helmholtz. Er U den indre energien når systemet har absolutt temperatur T, og S dets entropi, så er Helmholtz fri energi F = U - TS. Da de fleste prosesser i kjemien skjer under konstant trykk, viste den amerikanske fysiker Josiah Willard Gibbs at da er den frie energien gitt som G = H - TS hvor H = U + PV er systemets entalpi. Dette er definisjonen av Gibbs fri energi som spiller en sentral rolle i alle kjemiske reaksjoner. Hver partikkel i et system har en Gibbs fri energi som er lik systemets kjemiske potensial, i.e. μ = G/N  hvor N  er antall partikler i systemet. For relativistiske systemer er ikke partikkeltallet N veldefinert da partikler kan skapes ved pardannelse og forsvinne ved annihilasjon. Slike systemer vil derimot være spesifiserte ved de termodynamiske variable T, P og μ og har en veldefinert Landau fri energi Ω. Den har en volumtetthet som er det negative trykket, i.e. P = - Ω/V.

Det er nyttig å vite at begrepet «fri energi» er utdatert, og at når disse begreper blir brukt i høyere utdanning blir kalt for «Helmholtzs energi» og «Gibbs' energi».