По объяснению А. В. Перышкина, газ, расширяясь, охлаждается, потому что его внутренняя энергия переходит в потенциальную энергию тела, содержащего расширяющийся газ. 1

Также есть другое объяснение: при увеличении объёма газа запасённое в нём количество теплоты распределяется на больший объём, поэтому уменьшается количество энергии на единицу объёма и температура понижается. 2