En 1840, Joule colocó la bobina toroidal en un tubo de ensayo lleno de agua y midió la temperatura del agua a diferentes intensidades y resistencias de corriente. A través de este experimento, descubrió que el calor emitido por un conductor dentro de un cierto período de tiempo es proporcional al producto de la resistencia del conductor por el cuadrado de la intensidad de la corriente. Cuatro años más tarde, el físico ruso Lenz publicó una gran cantidad de sus resultados experimentales, que verificaron aún más la exactitud de la conclusión de Joule sobre el efecto de calentamiento de la corriente eléctrica. Por tanto, esta ley se llama ley de Joule-Lenz. Después de que Joule concluyó la ley de Joule-Lenz, imaginó además que el calor generado por la corriente de la batería y el calor generado por la corriente inducida de la máquina electromagnética deberían ser esencialmente iguales. En 1843, Joule diseñó un nuevo experimento. Envuelva una pequeña bobina alrededor de un núcleo de hierro y mida la corriente inducida con un amperímetro. Coloque la bobina en un recipiente con agua y mida la temperatura del agua para calcular el calor. Este circuito está completamente cerrado y no tiene fuente de alimentación externa. El aumento de la temperatura del agua es sólo el resultado de la conversión de energía mecánica en energía eléctrica y de energía eléctrica en calor. No hay transferencia de calor y masa en todo el proceso. Este resultado experimental niega completamente la teoría calórica. Los experimentos anteriores también hicieron que Joule pensara en la conexión entre el trabajo mecánico y el calor. Después de repetidos experimentos y mediciones, Joule finalmente midió el trabajo térmico equivalente, pero el resultado no fue exacto. El 21 de agosto de 1843, en la Sociedad Académica Británica, Joule informó de su artículo "Sobre el efecto térmico del electromagnetismo y el valor mecánico del calor". En su informe, decía que 1 kcal de calor equivale a 460 kilogramos de trabajo. Su informe recibió poco apoyo y una fuerte respuesta, y se dio cuenta de que necesitaba realizar experimentos más precisos. En 1844, Joule estudió los cambios de temperatura del aire durante la expansión y la compresión, y logró muchos logros a este respecto. Al estudiar la relación entre la velocidad de las moléculas de gas y la temperatura, Joule calculó el valor de la velocidad térmica de las moléculas de gas, sentó teóricamente las bases de las leyes de Boyle-Marriott y Gay-Lussac y explicó La esencia de la presión del gas en la pared del recipiente. . Muchos de los experimentos de Joule durante su investigación se completaron junto con el famoso físico William Thomson (más tarde llamado Lord Kelvin). 20 de los 97 artículos científicos publicados en Joule son fruto de su colaboración. Cuando un gas de libre difusión ingresa a un recipiente de baja presión desde un recipiente de alta presión, la temperatura de la mayoría de los gases y del aire desciende. Este fenómeno fue descubierto por ambos hombres. Este fenómeno se conoció más tarde como efecto Joule-Thomson. Joule fue uno de los pioneros en realizar investigaciones en profundidad desde el punto de vista de la dinámica molecular, tanto de forma experimental como teórica. Mientras realizaba estos estudios, Joule no interrumpió la medición de equivalentes de trabajo térmico. En 1847, Joule llevó a cabo lo que se considera el experimento más ingenioso en pensamiento de diseño hasta el momento: llenó un calorímetro con agua, colocó un eje giratorio con cuchillas en el medio y luego dejó que el peso que caía impulsara las cuchillas para que giraran. Debido a la fricción entre las palas y el agua, el agua y el calorímetro se están calentando. Según la altura del peso que cae, se puede calcular el trabajo mecánico convertido; según el aumento de temperatura del agua en el calorímetro, se puede calcular el aumento de la energía interna del agua. Al comparar los dos números, se puede encontrar el valor exacto del trabajo térmico equivalente. Joule también utilizó aceite de ballena en lugar de agua para realizar experimentos y midió el valor medio del trabajo térmico equivalente a 423,9 kg·m/kcal. Luego reemplazó el agua con mercurio y continuó mejorando los métodos experimentales. Hasta 1878, casi 40 años después de comenzar este trabajo, había realizado más de 400 experimentos utilizando diversos métodos. El resultado que obtuvo utilizando la fricción para calentar agua en 1849 fue el mismo que el de 1878, que fue 423,9 kg·m/kcal. También es extremadamente raro en la historia de la física que la medición de una constante física importante pueda mantenerse durante 30 años sin mayores correcciones. Este valor fue reconocido por todos como el equivalente de trabajo térmico