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。

由于体系经历绝热过程，故与外界无热交换。又由于气体向真空自由膨胀，外压为零，故体系对环境做功也为零。由热力学第一定律可得体系内能的变化为零，理想气体的内能只是温度的函数，所以理想气体绝热自由膨胀后温度将恢复原来的温度。

说明：

（1） 虽然理想气体绝热自由膨胀后温度恢复，但整个过程并不是恒温过程。

（2） 理想气体绝热自由膨胀过程是非准静态过程，除初，末态外，系统每一时刻都处于非平衡态。

（3） 对于实际气体，温度一般不会恢复到原来温度。

实验证实参见焦耳实验：容器分为两室，左边贮有理想气体，右边为真空．如果将隔板抽开，左室中的气体将向 B室膨胀。这是气体对真空的自由膨胀，最后气体将均匀分布于两室。温度与原来温度相同。气体膨胀后，我们仍可用活塞将气体等温压回左室，使气体回到初始状态。不过，此时我们必须对气体作功，所作的功转化为气体向外界传出的热量，根据热力学第二定律，我们无法通过循环过程再将这热量完全转化为功，所以气体对真空的自由膨胀过程是不可逆过程。