人們對熱的本質的研究在18世紀時走了一條彎路，“熱質說”在物理學史上統治了一百多年。雖然曾有一些科學家對這種錯誤理論產生過懷疑，但人們一直沒有辦法解決熱和功的關係的問題，是英國自學成才的物理學家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳為最終解決這一問題指出了道路。
1818年12月24日，焦耳出生於英國曼徹斯特，他的父親是一個釀酒廠主。焦耳自幼跟隨父親參加釀酒勞動，沒有受過正規的教育。青年時期，在別人的介紹下，焦耳認識了著名的化學家道爾頓。道爾頓給予了焦耳熱情的教導。焦耳向他虛心學習了數學、哲學和化學，這些知識為焦耳後來的研究奠定了理論基礎。而且道爾頓教誨了焦耳理論與實踐相結合的科研方法，激發了焦耳對化學和物理的興趣。
焦耳最初的研究方向是電磁機，他想將父親的釀酒廠中應用的蒸汽機替換成電磁機以提高工作效率。1837年，焦耳裝成了用電池驅動的電磁機，但由於支持電磁機工作的電流來自鋅電池，而鋅的價格昂貴，用電磁機反而不如用蒸汽機合算。焦耳的最初目的雖然沒有達到，但他從實驗中發現電流可以作功，這激發了他進行深入研究的興趣。
焦耳於1840年把環形線圈放入裝水的試管內，測量不同電流強度和電阻時的水溫。通過這一實驗，他發現：導體在一定時間內放出的熱量與導體的電阻及電流強度的平方之積成正比。四年之後，俄國物理學家楞次公布了他的大量實驗結果，從而進一步驗證了焦耳關於電流熱效應的結論的正確性。因此，該定律稱為焦耳-楞次定律。
提出焦耳-楞次定律以後，焦耳進一步設想電池電流產生的熱與電磁機的感生電流產生的熱在本質上應該是一致的。1843年，焦耳設計了一個新實驗。他將一個小線圈繞在鐵芯上，用電流計測量感生電流，把線圈放在裝水的容器中，測量水溫以計算熱量。這個電路是完全封閉的，沒有外界電源供電，水溫的升高隻是機械能轉化為電能、電能又轉化為熱的結果，整個過程不存在熱質的轉移。這一實驗結果完全否定了熱質說。
上麵的實驗也使焦耳想到了機械功與熱的聯係，經過反複地實驗、測量，焦耳終於測出了熱功當量，但結果並不精確。1843年8月21日在英國學術會議上，焦耳報告了他的論文《論電磁的熱效應和熱的機械值》，他在報告中說1千卡的熱量相當於460千克米的功。他的報告沒有得到支持和強烈的反響，這時他意識到自己還需要進行更精確的實驗。
焦耳在1844年研究了空氣在膨脹和壓縮時的溫度變化，他在這方麵取得了很多成就。通過對氣體分子運動速度與溫度的關係的研究，焦耳計算出了氣體分子的熱運動速度值，從理論上奠定了波義耳-馬略特和蓋·呂薩克定律的基礎，並解釋了氣體對器壁壓力的實質。焦耳在研究過程中的許多實驗是和著名物理學家威廉·湯姆生（後來受封為開爾文勳爵）共同完成的。在焦耳發表的九十七篇科學論文中有二十篇是他們的合作成果。當自由擴散氣體從高壓容器進入低壓容器時，大多數氣體和空氣的溫度都要下降，這一現象就是兩人共同發現的。這一現象後來被稱為焦耳-湯姆生效應。