自由膨胀（英语：free expansion）是一种不可逆的热力学过程，过程中气体在一个绝热的系统内膨胀，外界和系统之间没有功和热的交换。
真实气体在自由膨胀时会有温度的变化。若是理想气体，过程前后的温度不会变化，而且过程前后的状态符合以下的式子
- pi Vi = pf Vf,
其中p为压力，V为体积而下标的i及f表示初始及结束的状态。
在自由膨胀过程中，气体不满足热力学平衡的条件，一直要到自由膨胀结束时才符合热力学平衡。因此在过程中无法定义整个气体的状态函数。例如其压力会随著位置而改变，而过程中无法明确的定义气体的体积。
