自由能是熱力學中的一箇重要概念，用於描述系統能量與可用性的關係。根據亥姆霍茲的定容自由能F與吉布斯的定壓自由能G的定義，自由能的計算可以通過以下公式進行：
對於定容過程（NVT）：ΔA = ΔU - TΔS
對於定壓過程（NPT）：ΔG = ΔH - TΔS
其中：
ΔA是亥姆霍茲自由能的變化
ΔU是系統內能的變化
ΔH是系統焓的變化
T是絕對溫度
ΔS是熵的變化
在實際應用中，自由能的計算通常涉及以下幾種方法：
MM/PBSA（分子力學/泊松-玻爾茲曼表面面積）：這是一種計算蛋白質與配體結合自由能的方法，它結合了分子力學和溶劑效應的計算。
FEP（自由能微擾）：通過計算系統從一箇狀態到另一箇狀態的能量變化來估計自由能差。
LIE（線性相互作用能量）：用於估計分子間相互作用對自由能的貢獻。
US（傘形採樣）：通過在分子動力學模擬中對某些座標進行約束來計算自由能。
此外，克勞修斯不等式ΔS=QT描述了熵變與熱量之間的關係，其中Q是在熱傳導過程中輸入的熱量，T是物質的熱力學溫度。這個不等式幫助我們理解熵變與自由能變化的關係。
在生物學和化學反應中，自由能的計算還需要考慮反應物的濃度、水的活度、質子濃度等因素，以確保計算的準確性。例如，反應物的濃度如果不是標準濃度（1M），則需要對實際的濃度進行修正。此外，結合自由能的計算還需要考慮內能和熵的變化。