Frihetsgrad er et mål på graden av frihet for en partikkel eller et system. Frihetsgradene representerer antall mulige forskjellige posisjoner og bevegelsestilstander systemet kan ha.
Faserom og frihetsgrader
Et systems faserom er et konstruert rom der punktene i rommet representerer systemets mulige tilstander. For et mekanisk system består faserommet av punkter som representerer systemets mulige posisjoner og bevegelser (mulige verdier av systemets bevegelsesmengde). Antall frihetsgrader for systemet er lik faserommets dimensjon.
Frihetsgrader for partikler
En partikkel som er bundet til å bevege seg på en linje med konstant fart, har én frihetsgrad. Dersom farten kan variere fritt, har har partikkelen to frihetsgrader. En partikkel som kan bevege seg fritt i en flate, har fire frihetsgrader; to som representerer partikkelen posisjon og to som representerer dens bevegelse. Men en partikkel som beveger seg i et plan, kan godt ha bare én frihetsgrad hvis det er begrensninger på hvordan partikkelen kan bevege seg. Dersom partikkelen for eksempel kun kan bevege seg i en sirkel med en bestemt fart, har den bare én frihetsgrad som representerer partikkelens posisjon på sirkelen. En partikkel som kan bevege seg fritt, uten begrensninger på bevegelsen, i alle tre retninger i et rom, har seks frihetsgrader.
Frihetsgrader for utstrakte legemer
Et utstrakt legeme har også frihetsgrader knyttet til at det kan vibrere og rotere, og har derfor flere enn 6 frihetsgrader.
Frihetsgrader for gasser
Frihetsgrader spiller en viktig rolle i kinetisk gassteori og statistisk mekanikk. La oss betrakte et system som består av N partikler. Dersom partiklene utgjør for eksempel en avgrenset gass der det ikke er noen begrensninger på partiklenes posisjoner og bevegelser, har gassen 6N frihetsgrader. De representerer den dynamiske tilstanden til hver partikkel i gassen, kalt gassens mikrotilstand. Det betyr at hvert punkt i gassens faserom representerer en mulig mikrotilstand for gassen. Det er 3N frihetsgrader for partiklenes posisjoner og 3N for deres bevegelser.