吉布斯自由能的符号为 (G)，是一种热力学势，定义为 (G=H-TS)，其中 (H) 为焓，(T) 为绝对温度，(S) 为熵。它描述恒温恒压下自发变化的方向和平衡条件。在这些条件下，其减少量还决定了封闭系统所能输出的最大非膨胀功。国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）采用的名称是吉布斯能，不过“吉布斯自由能”在科学教学中仍很常用。(goldbook.iupac.org)
定义与热力学性质
对于一个热力学系统，吉布斯自由能的等价定义为
[ G=H-TS=U+pV-TS, ]
其中 (U) 为内能，(p) 为压力，(V) 为体积。焓包含了压力与体积的乘积项，而绝对温度与熵的乘积则体现了熵的贡献。吉布斯能与亥姆霍兹自由能 (A=U-TS) 的关系为 (G=A+pV)。亥姆霍兹自由能提供了恒温恒容条件下相应的平衡判据。(ocw.mit.edu)
吉布斯能是状态函数：其变化量只取决于初态和终态，与连接这两个状态的路径无关。它是广延量，随物质的量成比例变化。其单位为焦耳；摩尔吉布斯能的单位为焦耳每摩尔，通常使用千焦每摩尔。对于恒温下的变化，
[ \Delta G=\Delta H-T\Delta S. ]
如果温度发生变化，则应使用一般表达式 (\Delta G=\Delta H-\Delta(TS))。(openstax.org)
自发性、平衡与功
对于维持恒温恒压、且只与外界交换压力—体积功的封闭系统，自发变化会使 (G) 减小。在系统约束条件下所有可达状态中，稳定的热力学平衡对应于吉布斯能的最小值。这一判据用系统自身的性质表达热力学第二定律，无须另外追踪环境的熵。在这些条件下，
[ \Delta G=-T\Delta S_{\mathrm{universe}}. ]
因此，负的 (\Delta G) 伴随着正的总熵产生。平衡并不意味着 (G) 本身为零，而是指任何允许的无穷小变化都不能使其降低。(ocw.mit.edu)
当系统能够输出非膨胀功时，其输出的最大非膨胀功为
[ W_{\mathrm{nonexp,max}}=-\Delta G. ]
恒温恒压下的可逆过程可以达到这一极限。不可逆性会减少可获得的功。因此，“自由”指的是在特定约束条件下可用于做有用功的能力，而非某种额外的物质或一种独立守恒的能量形式。(faculty.washington.edu)
自发性与速率是不同的概念。热力学上有利的化学反应可能因活化能很高而进行得极其缓慢。化学动力学研究反应速率，热力学则研究驱动力和平衡。催化会改变反应路径和速率，但不会改变平衡常数，也不会改变相同反应物状态与产物状态之间的吉布斯能差。(ncbi.nlm.nih.gov)
化学势与组成
对于没有其他功项的简单多组分系统，基本微分关系为
[ dG=-S,dT+V,dp+\sum_i\mu_i,dn_i. ]
其中，(n_i) 为物种 (i) 的物质的量，其化学势为
[ \mu_i= \left(\frac{\partial G}{\partial n_i}\right){T,p,n{j\ne i}}. ]
化学势衡量在上述变量保持不变时，添加该组分所引起的吉布斯能变化。对于纯物质，化学势等于摩尔吉布斯能。(ocw.mit.edu)
组成的影响通过热力学活度 (a_i) 体现：
[ \mu_i=\mu_i^\circ+RT\ln a_i, ]
其中 (R) 为摩尔气体常数。活度是无量纲量，反映了体系偏离理想行为的程度。对于理想气体，活度等于分压与标准压力之比；在理想溶液中，采用适当的活度约定时，活度等于摩尔分数。这些关系解释了为什么即使温度和压力不变，混合和组成变化仍会影响吉布斯能。(ocw.mit.edu)
反应吉布斯能与化学平衡
采用带符号的化学计量系数 (\nu_i)，规定产物的系数为正、反应物的系数为负，则反应吉布斯能为
[ \Delta_{\mathrm r}G=\sum_i\nu_i\mu_i =\Delta_{\mathrm r}G^\circ+RT\ln Q. ]
反应商为 (Q=\prod_i a_i^{\nu_i})。反应吉布斯能为负时，有利于反应正向进行；为正时，有利于反应逆向进行。在化学平衡时，(\Delta_{\mathrm r}G=0)，且 (Q=K)，因此
[ \Delta_{\mathrm r}G^\circ=-RT\ln K. ]
所以，标准反应吉布斯能为负意味着 (K>1)，但实际变化方向仍取决于组成对 (Q) 的影响。(ocw.mit.edu)
上标 (\circ) 表示规定的标准态，并不一定意味着室温。标准反应吉布斯能可以由表列的标准生成吉布斯能计算：
[ \Delta_{\mathrm r}G^\circ =\sum_i\nu_i\Delta_{\mathrm f}G_i^\circ. ]
数据所对应的温度必须与计算所用的温度一致。(openstax.org)
相变与生物学中的耦合
吉布斯能也决定相变。对于温度和压力固定的纯物质，稳定相具有最低的摩尔吉布斯能。共存相的化学势相等。因此，熔化可以理解为固相与液相的吉布斯能曲线相交。溶质优先溶入液相会降低液相的吉布斯能，并可能导致凝固点降低。(ocw.mit.edu)
在代谢中，热力学上不利的反应可以通过反应机理上的耦合，与有利反应共同进行，其中最典型的是与三磷酸腺苷（ATP）的水解耦合。各耦合步骤的吉布斯能变化可以相加，整个过程在实际条件下必须具有有利的驱动力。仅仅把两个反应放在一起并不足以实现耦合：酶通过共有中间体或协调的分子变化，提供将两个反应连接起来的路径。因此，在确定代谢反应方向时，细胞内的浓度与标准反应吉布斯能数值同样重要。(ncbi.nlm.nih.gov)