自由能是一個重要的物理化學概念，用於描述在恆溫恆壓條件下系統能量與可用做功的能量之間的關係。自由能的概念可以通過以下公式來定義：
亥姆霍茲自由能（F）：F = U - TS，其中U是系統的內能，T是絕對溫度，S是熵。
吉布斯自由能（G）：G = H - TS，其中H是焓，T是絕對溫度，S是熵。
在實際套用中，尤其是在生物化學反應中，通常討論的是吉布斯自由能（G），因為它考慮了壓力的變化（PV），這對於生物反應尤為重要。吉布斯自由能的變化（△G）可以通過以下公式計算：
△G = △H - T△S，其中△H是焓變，△S是熵變。
自由能的變化（△G）對於判斷反應的自發性非常重要：
當△G小於0時，反應能夠自發進行。
當△G大於0時，反應不能自發進行。
這表明，焓減和熵增有利於反應的自發進行。
此外，熱力學溫度（T）與攝氏溫度（t）之間的關係是：T = t + 273.15。這意味著在自由能公式中使用的溫度單位應該是熱力學溫度（開爾文）。
綜上所述，自由能的物理公式可以簡潔地表示為E - TS，其中E代表系統的能量。然而，在具體套用中，我們通常使用亥姆霍茲自由能和吉布斯自由能的定義來計算和分析系統的自由能變化。