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。例如其压力会随着位置而改变，而过程中无法明确的定义气体的体积。
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。
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
热力学循环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。