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다양한 형태의 에너지(역학적 에너지, 전기 에너지, 열)는 본질적으로 같고 하나에서 다른 하나로 변할 수 있다는 것을 입증했다. 그결과 열역학 제1법칙인 에너지 보존법칙의 기초를 세웠다.

1835년 맨체스터대학교에서 유명한 영국의 화학자 J. 돌턴과 함께 공부했다. 〈볼타 전기에 의한 열의 생성에 관해 On the Produc-tion of Heat by Voltaic Electricity〉(1840)라는 논문에서 '줄 효과'를 기술하면서 그는 전류에 의해 도선에 생성되는 열은 전류의 제곱과 도선의 저항의 곱에 비례한다고 주장했다.

1843년 단위 열량을 생성하는 데 요구되는 일의 양, 즉 열의 일당량을 발표했으며 이 값을 정하는 데 점점 더 정확한 4가지의 방법을 썼다. 그는 다른 물질들을 이용함으로써 열은 가열되는 물질과는 무관한 에너지의 형태라는 것도 입증했다. 1852년 줄과 W. 톰슨(후에 켈빈 경이 됨)은 기체가 외부에 대해 일을 하지 않으면서 팽창할 때 그 기체의 온도가 낮아진다는 것을 발견했다. 이 '줄-톰슨 효과'는 19세기 동안 대규모 냉동산업을 일으키는 데 이용되었다. 열의 일당량 값은 보통 문자 J로 나타내고 줄이라고 읽는다.