Wenn ein Gas in gleichmäßiger Strömung durch eine Verengung, z. B. in einer Öffnung oder einem Ventil, strömt, erfährt es normalerweise eine Temperaturänderung. Dies ist zum Teil auf die Änderung der kinetischen Energie zurückzuführen, zum anderen Teil aber auch auf die Nicht-Idealität des Gases. Wenn die stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Kanäle so groß sind, dass die kinetische Energie an diesen Stellen vernachlässigbar ist, werden die Temperaturen stromaufwärts und stromabwärts weit genug von der durch die Verengung verursachten Störung entfernt gemessen und das System ist adiabatisch; der gemessene Effekt ist allein auf die Nichtidealität zurückzuführen. Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist ein solcher Prozess isenthalpisch, und man kann den Joule-Thomson-Koeffizienten sinnvollerweise wie folgt definieren:
als Maß für die Temperaturänderung, die sich aus einem Druckabfall an der Verengung ergibt.
Für die meisten realen Gase bei ungefähren Umgebungsbedingungen ist μ positiv, d. h. die Temperatur fällt beim Durchgang durch die Verengung. Bei Wasserstoff und Helium ist es negativ, und die Temperatur steigt an. Bei höheren Temperaturen sinkt μ für die meisten Gase und kann sogar negativ werden. μ kann auch durch Anwendung von Druck negativ werden, sogar bei Umgebungstemperatur, aber dazu sind normalerweise Drücke von über 200 bar erforderlich.