En thermodynamique, le potentiel chimique d'une espèce chimique correspond à la variation d'énergie d'un système thermodynamique due à la variation de la quantité (nombre de moles) de cette espèce dans ce système. Étroitement lié au deuxième principe de la thermodynamique, le potentiel chimique permet d'étudier la stabilité des espèces chimiques et leur tendance à changer d'état, à réagir chimiquement ou à migrer par diffusion. La fugacité et l'activité chimique, définies à partir du potentiel chimique, sont plus faciles à manipuler que celui-ci. Le potentiel chimique est une notion introduite entre 1875 et 1878 par Willard Gibbs et Pierre Duhem. Il se révéla toutefois difficile à manipuler, car un potentiel chimique ne peut être calculé qu'à une constante additive près et non de façon absolue ; de plus le potentiel chimique de toute espèce tend vers l'infini négatif à dilution infinie. En 1900 et 1901 Gilbert Lewis introduit la fugacité, efficace dans son application pour les gaz, puis en 1923 l'activité chimique, plus spécialement employée pour les phases condensées (liquide ou solide). Supposons un mélange de constituants. Le potentiel chimique de tout constituant est défini pour chacun des quatre potentiels thermodynamiques : énergie interne (c'est par cette relation que Gibbs introduisit le potentiel chimique) : énergie libre : enthalpie : enthalpie libre : avec : la pression ; la température ; le volume ; l'entropie ; la quantité (nombre de moles) du corps . Le potentiel chimique, en tant que dérivée partielle d'un potentiel thermodynamique, peut donc être défini de diverses façons, toutes équivalentes : Le potentiel chimique a la dimension d'une énergie molaire, par ex. le joule par mole, . La relation liant le potentiel chimique à l'énergie libre est particulièrement importante en calorimétrie, où les réactions chimiques sont étudiées à volume et température constants. Elle tient également une place centrale en physique statistique.