1840年，他得出了焦耳定律的公式，本来准备让皇家学会大吃一惊的，可后来发现自己被仅仅当作乡下的业余爱好者 。当斯特金在1840年搬到曼彻斯特后，他和焦耳成为了这个城市知识分子的核心 。他俩同感，科学和神学应该并且可能整合在一起 。焦耳开始在斯特金的皇家维多利亚实践科学讲座（RoyalVictoriaGalleryofPracticalScience）上开办讲座 。
他后来认识到，在蒸汽机烧1磅煤所产生的热量是在革若夫电池（英语：Grovecell）（一种早期的电池）里消耗1磅锌所发出热量的5倍 。焦耳对“经济负荷”（economicalduty）的通常标准是，将1磅重量抬升1英尺的能力，即英尺-磅（英语：Foot-pound(energy)） 。
焦耳被弗朗兹·艾皮努斯（FranzAepinus）的想法所影响，试图用被“振动形态的热质以太（calorificetherinastateofvibration）”所环绕的原子来解释电学和磁 。
然而焦耳的兴趣从有关可以从给定来源提取多少功这样的狭隘的经济问题开始转向，最终到思考能量的可转换性 。

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1883年他发表了一些实验结果，显示他在1841年所定量化的热效应是因为导体本身的发热，而不是从装置其他部分传来的热量 。这个结论对当时的热质说是一个直接的挑战 。热质说认为，热量既不能被创造，也不能被销毁 。自从被拉瓦锡在1783年提出后，热质说一直是热学领域的主导性的理论 。拉瓦锡的影响力再加上尼古拉·卡诺自1824年所提出的关于热机的热质理论在实践中的成功，使得既不在学术界又不在工程界的年轻的焦耳看起来前途坎坷 。热质说的支持者准备指出，热电效应的对称性说明热能和电能是（至少大约）可以被一个可逆过程所相互转化的 。

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