Hij voerde een reeks experimenten uit, beroemd met een paddle -wiel in een watercontainer, waaruit blijkt dat mechanisch werk dat op een systeem wordt gedaan direct in warmte kon worden omgezet. Dit leidde tot de formulering van de eerste wet van thermodynamica , die stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, alleen van de ene vorm naar de andere worden getransformeerd.

Het werk van Joule was cruciaal bij het vaststellen van de gelijkwaardigheid van mechanische en thermische energie, waardoor de basis werd gelegd voor de ontwikkeling van thermodynamica als wetenschap.