Descubrió su relación con el trabajo mecánico, lo cual le condujo a la teoría de la energía.
La unidad internacional de energía, calor y trabajo, el joule, fue bautizada en su honor.
Trabajó con lord Kelvin para desarrollar la escala absoluta de la temperatura, hizo observaciones sobre la teoría termodinámica (efecto Joule-Thomson) y encontró una relación entre la corriente eléctrica que atraviesa una resistencia y el calor disipado, llamada actualmente ley de Joule.
Fue «posiblemente el último autodidacta que hizo una contribución significativa al progreso de la ciencia».
De carácter tímido y humilde, recibió clases particulares en su propio hogar de física y matemáticas, siendo su profesor el químico británico John Dalton; compaginaba estas clases con su actividad profesional, trabajando junto a su padre en la destilería, la cual llegó a dirigir.
[3] Joule llegó a gerente de la cervecería y tuvo un papel activo hasta que el negocio fue vendido en 1854.
Joule tenía una habitación en casa de su padre que la utilizaba como laboratorio; fue allí donde empezó a hacer sus primeros experimentos eléctricos y magnéticos.
[4] En 1838 contribuyó con sus primeros trabajos académicos sobre electricidad en los Annals of Electricity, la revista científica fundada y dirigida por el socio de Davies William Sturgeon.
Descubrió la ley de Joule en 1840[5] e intentó impresionar a la Royal Society pero descubrió, no por última vez, que se le veía como un mero principiante de provincias.
Joule enseñó en la Royal Victoria Gallery of Practical Science de Sturgeon.
Los valedores de la teoría del calórico indicaron la simetría de la efecto Peltier-Seebeck para afirmar que el calor y la corriente son convertibles, al menos aproximadamente, por un proceso reversible.
Aun así, su obra fue rehusada por la Royal Society y se tuvo que contentar con publicarla en la Philosophical Magazine.
En esta obra quedaba evidente su rechazo del razonamiento calórico de Carnot y Émile Clapeyron, pero también eran evidentes sus motivaciones teológicas: En 1845, Joule leyó su obra On the mechanical equivalient of heat en la reunión de la British Association en Cambridge.
En 1850, Joule publicó una medida refinada de 772,692 pies-libra/BTU (4,159 J/cal), más cercana a las estimaciones del siglo XX.
[13] También recibió el apoyo del fabricante de instrumentos científicos John Benjamin Dancer.
Thomson y Joule se encontraron de imprevisto más tarde aquel año en Chamonix.
[16] Tan pronto como Joule leyó la obra, escribió a Thomson con sus comentarios y preguntas.
Así empezó una colaboración fructífera entre ambos hombres, a pesar de que fue esencialmente epistolar, con Joule llevando a cabo experimentos y Thomson analizando los resultados y proponiendo otros nuevos.
Joule no pudo resistir encontrar antecedentes de sus creencias en Francis Bacon, Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson y Humphry Davy.
Algunos estudiosos actuales han criticado esto, argumentando que los experimentos de Thompson no representaban medidas cuantitativas sistemáticas.
[4] En 1878 recibió una pensión de £ 200 al año por servicios a la ciencia y el 1880 el príncipe de Gales Eduardo VII le entregó la Albert Medal, otorgada por la Royal Society of Artes.
Joule es miembro honorario de la Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland desde 1857.
Este último punto de vista se sostiene en su correspondencia con Lord Kelvin.
[29] Joule estudió aspectos relativos al magnetismo, especialmente los relativos a la magnetización del hierro por la acción de corrientes eléctricas, que le llevaron a la invención del motor eléctrico.