Das chemische Potential μ ist eine zentrale Zustandsgröße der Thermodynamik und Statistischen Mechanik. Es beschreibt die Änderung der freien Energie eines Systems bei Variation der Teilchenzahl unter konstanten äußeren Bedingungen. Formal ist es definiert als partielle Ableitung, etwa für die Gibbs-Energie G: μᵢ = (∂G/∂nᵢ)_{T,p,nⱼ≠ᵢ}. Es hat die Dimension einer molaren oder spezifischen Energie.

In Vielstoffsystemen existiert für jede Komponentenart ein eigenes chemisches Potential. Der thermodynamische Gleichgewichtszustand zwischen Phasen oder Reaktionspartnern ist durch das Gleichwerden der jeweiligen chemischen Potentiale charakterisiert. Phasengleichgewichte, Diffusionsprozesse und Reaktionsgleichgewichte lassen sich daher einheitlich über Gradienten bzw. Unterschiede in μ beschreiben.

In der Werkstoffkunde bestimmt das chemische Potential maßgeblich Triebkräfte für Stofftransport, z.B. in der Volumen- und Korngrenzdiffusion, bei Ausscheidungsvorgängen oder Oxidation. Diffusion erfolgt entlang des Gradienten des chemischen Potentials, nicht einfach entlang von Konzentrationsgradienten; Beiträge von Spannung, elektrischen Feldern und Wechselwirkungen mit Defekten sind darin enthalten. In Legierungen ist μᵢ eng mit der Aktivität der gelösten Komponenten verknüpft und bildet die Basis für Phasendiagramm- und CALPHAD‑Berechnungen.

Auch mechanische Spannungszustände beeinflussen das chemische Potential, etwa über die Kopplung von Dehnung, Defektkonzentration und Zusammensetzung. Dies ist entscheidend für Phänomene wie Spannungsdiffusion, Wasserstoffversprödung oder die Stabilität nanoskaliger Phasen. Das Konzept des chemischen Potentials liefert damit eine übergeordnete, konsistente Beschreibung von Gleichgewicht und Transportvorgängen in komplexen Werkstoffen.