רובו של ערך זה אינו כולל מקורות או הערות שוליים, וככל הנראה, הקיימים אינם מספקים. אנא עזרו לשפר את אמינות הערך באמצעות הבאת מקורות לדברים ושילובם בגוף הערך בצורת קישורים חיצוניים והערות שוליים. אם אתם סבורים כי ניתן להסיר את התבנית, ניתן לציין זאת בדף השיחה.
בתרמודינמיקה, משתנים טבעים הם סט המשתנים הנשלטים המתארים פוטנציאל תרמודינמי. באמצעותם נוח לתאר את המערכת התרמודינמית. רק מאנרגיה חופשית הנכתבת לפי המשתנים הטבעיים המגדירים אותה ניתן לגזור את משוואות המצב - כלומר מתאפשרת גישה לכל התכונות הפיסקליות של המערכת. בנוסף לכך, רק כאשר האנרגיה חופשית נכתבת לפי המשתנים הטבעיים שלה ניתן לעבור,על ידי התמרת לז'נדר, ליתר האנרגיות החופשיות וכן להגיע לקשרי מקסוול.
נתונה מערכת סגורה הנתונה על ידי האנרגיה הפנימית: . הצמדתה למאגר חום בטמפרטורה T (כאשר מספר החלקיקים והנפח נותרים קבועים) תאפשר מעבר אנרגיה ממערכת אחת לאחרת בצורת חום (שינוי האנטרופיה). כעת, מפני שהטמפרטורה נותרת קבועה המשתנים הטבעיים הם: T ,V, ולכן הפוטנציאל התרמודינמי המתאים לתיאור המערכת הוא האנרגיה חופשית של הלמהולץ (F). מעבר מהאנרגיה הפנימית לאנרגיה חופשית של הלמהולץ יתבצע באמצעות שימוש בהתמרת לז'נדר: . אנרגיה זו תקרא אנרגיה חופשית היות שזו האנרגיה של מערכת המחוברת לאמבט חום וזמינה לניצול כעבודה בתהליך הפיך בו לא נוצרה אנטרופיה חדשה שאינה חום. קרי, העבודה בתהליך הפיך בטמפרטורה קבועה: .