自由能是一個重要的熱力學概念，指在一個特定的熱力學過程中，系統可對外輸出的「有用能量」，這種能量是系統內能的一部分，可以轉化為對外做功的能量，自由能有助於判斷一個化學反應或物理過程是否能自發進行，其減少通常伴隨著熵的增加。
自由能分為亥姆霍茲自由能和吉布斯自由能兩種形式。亥姆霍茲自由能在恆溫恆體積條件下定義，而吉布斯自由能則在恆溫恆壓條件下定義。自由能的計算公式為F=U−TS，其中F是自由能，U是內能，T是絕對溫度，S是熵。這個公式表明，自由能是內能和熵的函式，兩者共同決定了系統自由能的變化趨勢。
自由能原理是一個更廣泛的概念，它試圖解釋生物系統和非生物系統如何通過最小化自由能來維持非平衡穩態。這一原理在神經科學和人工智慧領域有著重要的套用，例如，在神經科學中，它被用來解釋大腦如何通過主動推理來感知和行動。
計算自由能的方法包括自由能微擾（FEP）、BAR/MBAR、哈密頓量熱力學積分、傘形採樣等。這些方法在預測材料科學、生物學中的分子反應等方面發揮著關鍵作用。