Чем можно объяснить понижение температуры газа при его самопроизвольном расширении

Answer 1

Тем, что внутрення энергия газа расходуется на совершение им работы.
Но так бывает не всегда. Если газ расширяется в пустоту, то он работы не совершает, поэтому и не охлаждается.

Answer 2

Можно ещё объяснить так: когда молекула газа отскакивает от удаляющейся стенки, после отскока её скорость меньше, чем до (можете поэкспериментировать с отскоком предметов от руки) . Уменьшение средней скорости молекул означает уменьшение температуры.
"Удаляющаяся стенка" при этом вполне может быть газобразной.

Answer 3

Расширение газа сопровождается совершением им работы над внешней средой. "Самопроизвольное расширение" подразумевает отсутствие собщения газу теплоты. Вследствие этого указанная работа совершается исключительно за счёт внутренней энергии газа. Следовательно, уменьшается внутрення энергия. Поскольку абсолютная температура пропорциональна внутренней энергии, стало быть, понижается и температура газа.