自由能是熱力學中的一個核心概念，指的是在一定的熱力學過程中，系統內部減少的能量中可以轉化為對外做功的部分。
自由能衡量的是在一個特定熱力學過程中系統可對外輸出的「有用能量」。自由能的數學定義可以表示為F=U-TS，其中F代表自由能，U代表系統的內能，T代表溫度，S代表熵。自由能的概念不僅在物理學和化學中發揮著重要作用，如在判斷化學反應是否自發進行的標準之一，也在生物學中用於理解生命過程中的分子反應，以及在材料科學中用於預測材料的相行為和穩定性。
此外，自由能的概念還被套用於變分貝葉斯方法中，這是一種計算上易於處理的逼近貝葉斯定理的方法。