Siłą napędową procesu ekstrakcji jest różnica między potencjałami termodynamicznymi układu przed i po procesie wymiany masy. Pod stałym ciśnieniem i w stałej temperaturze dyfuzja składników pomiędzy niemieszającymi się cieczami zachodzi samorzutnie tak długo, dopóki maleje entalpia swobodna układu, co zapisuje się matematycznie:
gdzie:
– liczba składników (różnych substancji), – potencjał chemiczny -tego składnika.
Równania wskazują, że w wielofazowych układach wieloskładnikowych o kierunku przemiany decydują zmiany potencjałów chemicznych wszystkich związków we wszystkich fazach (ewentualnie dodatkowo praca zewnętrzna, która jest wykonywana).
W uproszczeniu stan izotermiczno-izobarycznej równowagi termodynamicznej w procesie podziału związku chemicznego między dwie fazy ciekłe opisuje się korzystając z prawa podziału Nernsta:
gdzie: – stała podziału (współczynnik podziału) substancji pomiędzy fazy 1 i 2 wyrażony jako stosunek stężeń (ułamków molowych), – ułamek molowy substancji w fazach 1 i 2.
Współczynnik podziału ma wartość stałą dla roztworów doskonałych. W przypadku roztworów rzeczywistych wartości stałe mają współczynniki obliczane z wykorzystaniem odpowiednich współczynników aktywności.