Freie Energie ist das thermodynamische Potential, das die bei konstanter Temperatur und gegebenen Randbedingungen maximal verfügbare Arbeit beschreibt (Helmholtz: F = U − TS; Gibbs: G = H − TS). In der Werkstoffwissenschaft steuert sie Phasengleichgewichte, Keimbildung, Wachstum, Fehlordnung und Defektbildung. Minimierung der freien Energie bestimmt Stabilität von Phasen, Grenzflächen und Mikrostrukturen.