做功和热传递是改变物体内能的两种方式，热力学第一定律是热学中的能量守恒定律，揭示了物体内能的增量与传递的热量及做功之间的关系。数学表述式为：△E二Q十w，，式中△E是内能增量，Q是传递的热量，w是做的功。
理想气体做绝热自由膨胀时：因为是绝热过程和外界沒有热交换，因此式中的Q二0，又因为体积增大，因此气体对外做了功即w＜0，所以内能增量△E＜0，即内能减少。
理想气体进行绝热自由膨胀
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。
