Sự biến đổi năng lượng quyết định chiều hướng của mọi chuyển biến (như phản ứng hóa học, chuyển pha, kết tinh...). Trong tự nhiên mọi quá trình tự phát đều xảy ra theo chiều hướng giảm năng lượng dự trữ. Ví dụ, mọi vật đều có xu hướng tự giảm độ cao vì ở vị trí thấp có dự trữ năng lượng (thế năng) nhỏ hơn. Đối với chuyển trạng thái cũng vậy, động lực thúc đẩy nó cũng là năng lượng dự trữ - chuyển động của nguyên tử, phân tử, ion - được đặc trưng bằng đại lượng được gọi là năng lượng tự do F (vì không đo được giá trị tuyệt đối nên có thể biểu thị bằng ∆F). Năng lượng tự do của các trạng thái phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Hình 1.23 biểu thị sự biến đổi của F của trạng thái lỏng và rắn (tinh thể) theo nhiệt độ:
- ở nhiệt độ To > Tso vật thể tồn tại ở trạng thái lỏng vì năng lượng tự do của trạng thái lỏng nhỏ hơn rắn, Fl < Fr, sự kết tinh chưa xảy ra,
- ở nhiệt độ To < Tso vật thể ở trạng thái tinh thể vì Fr < Fl. Như thế, khi làm nguội qua Tso (tại đó Fl = Fr) sẽ có sự chuyển trạng thái từ lỏng sang tinh thể, tức xảy ra kết tinh, nên Tso được gọi là nhiệt độ kết tinh (hay
nóng chảy) nhưng chỉ có tí nh lý thuyết và được coi như một đặc trưng cho nguyên tố hay đơn chất. Sở dĩ nói có tí nh lý thuyết vì thật ra trong điều kiện thông thường, tại đúng nhiệt độ đó (To = Tso) khi làm nguội vẫn chưa xảy ra kết tinh, khi nung nóng vẫn chưa xảy ra nóng chảy do hai trạng thái lỏng - rắn cân bằng nhau, tức vẫn duy trì trạng thái ban đầu. Vì thế sự kết tinh thực tế chỉ xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh (lý thuyết) Ts kể trên một khoảng nhất định để tại đó Fr < Fl một cách rõ rệt. Đó là điều kiện để xảy ra kết tinh.
Hình 1.23.Sơ đồ biến đổi năng l!ợng tự do ∆F của các trạng thái rắn, lỏng phụ thuộc vào
nhiệt độ.