亥姆霍兹自由能（，在物理学中也常直接简称为自由能），是一个重要的热力学参数，常用F或A表示，它的定义是：其中U是系统的内能，T是温度，S是熵。自由能的微分形式是：其中P是压强，V是体积，μ是化学势。自由能可以被理解成是系统内能的一部分，这部分在可逆等温过程中被转化成功。在粒子数不变的等温过程中，系统对外界所做的功一定只能小于或者等于其自由能的减少，也就是说，系统自由能的减少就是等温过程中系统对外界所做的最大功。这就是最大功定理。数学表示是：如果是等温等容过程，W=0，上式化为：也就是