自由膨脹（英語：free expansion）是一種不可逆的熱力學過程，過程中氣體在一個絕熱的系統內膨脹，外界和系統之間沒有功和熱的交換。
真實氣體在自由膨脹時會有溫度的變化。若是理想氣體，過程前後的溫度不會變化，而且過程前後的狀態符合以下的式子
- pi Vi = pf Vf,
其中p為壓力，V為體積而下標的i及f表示初始及結束的狀態。
在自由膨脹過程中，氣體不滿足熱力學平衡的條件，一直要到自由膨脹結束時才符合熱力學平衡。因此在過程中無法定義整個氣體的狀態函數。例如其壓力會隨着位置而改變，而過程中無法明確的定義氣體的體積。
