自由能與自發反應

想像山坡上的一個球。放著不管，它會自己往下滾；要讓它回到坡頂，你就得用力去推、花費氣力。化學反應也是如此：有些會自己「走下坡」，甚至釋放出可用的能量；另一些則只有你往裡推能量才會進行。自由能就是告訴你哪種是哪種的那本帳。

自由能（常寫作G，即吉布斯自由能）是反應能量中，在扣除熱力學所要求的無序之後，真正可用來做有用功的那一部分。真正重要的是自由能的變化，寫成一個差值。如果一個反應釋放自由能，這個變化為負，反應就被稱為自發的，或放能反應——它能自行進行，還能驅動別的任務，就像下坡的球。如果一個反應需要自由能，變化為正，反應就是非自發的，或吸能反應——它需要被推一把，就像把球推上坡。要緊的是：自發並不意味著快；它只表示該反應在能量上是「下坡」的。

細胞正是依這本帳過活的。分解食物是下坡，釋放自由能；構建複雜分子是上坡，需要消耗自由能。細胞的訣竅是把兩者連起來，讓下坡反應釋放的能量去支付上坡反應。因此，自由能是那個唯一的概念，讓我們能預測一個細胞反應到底能不能發生，以及能否被用來驅動某件有用的事。