Физический смысл эффекта Джоуля-Томсона при расширении реального газа в вакуум заключается в том, что газ охлаждается за счёт перераспределения его внутренней энергии между кинетической и потенциальной энергиями. 4

При взаимном притяжении молекул внутренняя энергия газа включает как кинетическую энергию молекул, так и потенциальную энергию их взаимодействия. 3 Расширение газа в условиях энергетической изоляции не меняет его внутренней энергии, но приводит к росту потенциальной энергии взаимодействия молекул (поскольку расстояния между ними увеличиваются) за счёт кинетической. 3 В результате тепловое движение молекул замедляется, температура расширяющегося газа понижается. 3

Величина и знак эффекта Джоуля-Томсона определяются соотношением между работой газа и работой сил внешнего давления, а также свойствами самого газа, в частности размером его молекул. 3