Молекулярна дифузія, або просто дифузія — це тепловий рух всіх (у рідині або газі) частинок при температурах вище абсолютного нуля. Швидкість цього руху залежить від температури, в'язкості рідини і розміру (маси) цих частинок. Дифузія пояснює потік молекул з області з більш високою їх концентрацією в область з меншою їх концентрацією. Після того, як концентрації в обох областях зрівняються, рух молекул не припиниться, але так як вже не буде градієнта концентрації, процес молекулярної дифузії заміниться на процес самодифузії, який виникає з хаотичного руху молекул. В результаті дифузії відбувається поступове перемішування матеріалу, поки розподіл молекул в області не стане однорідним. Оскільки молекули ще будуть знаходитися в русі, але рівновага вже буде досягнута, то цей результат молекулярної дифузії називають "динамічною рівновагою". У термодинамічній фазі з рівномірною температурою, при відсутності зовнішніх сил, що діють на частинки, дифузійний процес в кінцевому результаті призводять до повного їх перемішування.

Розглянемо дві системи; S1 і S2 які мають однакову температуру і здатні обмінюватися між собою молекулами. Якщо відбувається зміна потенціальної енергіїсистеми; наприклад μ1>μ2, де μ - це хімічний потенціал, потік енергії буде відбуватися від S1 до S2, тому що природа завжди віддає перевагу низької енергії та максимальній ентропії.