气体的内能只是温度的函数，与体积无关，这个结果叫焦耳定律。这是焦耳通过气体自由膨胀实验得出的一个规律性的结论。

从微观的角度，气体的内能是系统中分子无规运动的能量总和的统计平均值。在没有外场的情况下，无规运动的能量包括分子的动能、分子间相互作用的势能以及分子内部运动的能量。分子的动能与分子内部运动的能量都与体积无关；而分子间相互作用的势能与分子的平均距离有关，因而与体积有关。但对于理想气体，由于压强趋于零，气体足够稀薄，分子的平均距离足够大，相互作用势能可以忽略；因而在内能的组成部分中与体积有关的部分几可忽略，内能因而也就与体积无关。

1852年焦耳和汤姆孙用更精确的节流实验发现，一般气体的内能不仅与温度有关还与体积有关．在压强趋于0时焦耳定律才成立。