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焦耳的机械和热能转换实验装置
为了支持声名鹊起的儿子继续他的科学研究 ， 焦耳的父亲为他在自家经营的啤酒厂里盖起了一间实验室 ， 并提供所有的实验费用 。 随之而来的是一些年轻的科学家 ， 他们也利用这间实验室做研究 ， 并和焦耳一起进行热力学与流体力学的各种实验 ， 包括后来著名的数学家和物理学家乔治·斯托克斯（George G 。Stokes ， 1819-1903） 。
可是科研并不总是一帆风顺 ， 特别是触及到社会利益的时候便会遇到各种阻力 。 1843 年 ， 焦耳以当时工业市场最好的产品“可尼斯蒸汽引擎”（Cornish Stream Engines）为例 ， 通过计算指出它百分之九十本来可以用作机械功的能量都以散热的形式浪费掉了 。 因为这篇报告 ， 他招致工业界商人的猛烈攻击 ， 甚至多年之后还有人讥讽他只会用别人的引擎去做实验而自己却无法制造出更高效的引擎 。 焦耳对这一切指责都不予理睬 。 当年他更关注的是“能源枯竭”的长远危机 ， 并积极建议英国政府去寻找新能源 。
1847 年 ， 时为格拉斯哥大学（Glasgow University）物理学教授的开尔文（William Thomson Kelvin ， 1824-1907）<3> ， 关注到了这位 29 岁年轻人焦耳的重要科学实验并表示了支持 。 他和焦耳后来成为终生合作伙伴 ， 两人理论和实验相结合 ， 联名发表了多篇学术论文 。
在蜜月里做实验的新郎
1847年 ， 圣安德鲁斯大学（St 。Andrews University）自然哲学系招募系主任 ， 学校认定焦耳为最佳人选 。 焦耳婉言推却了 ， 理由是：“我要结婚了 。 我将无法承接学校那些无休止的繁杂事务 。 ”这不是遁词 。 8 月 18 日 ， 焦耳与阿米莉亚·格莱姆斯（Amelia Grimes）女士结了婚 。 据说新郎带上一支高灵敏度温度计和新娘去法国阿尔卑斯山下的 Sallanches 度蜜月 。 在那山区里 ， 新郎好几天都跑去测定 800 多英尺高的Cascade de l’Arpenaz 瀑布上下方的水温进而计算瀑布水流落差带来的能量改变 ， 让新婚妻子静坐在草地或马车上等待他归来 。
同年 ， 焦耳成功地进行了一系列精确的电解和燃烧实验 ， 并作出结论说：“电、磁、光、声波、化学反应 ， 都是不同型态的能量 。 因此 ， 根据能量的理论 ， 可以把物理世界以更简单的形式表达出来 。 ”当年 ， 那是超时代的观念 。 事实上 ， 直到 20 年之后 ， 物理和热力学家彼得·泰特（Peter G 。Tait ， 1831-1901）才在论著里明确地以“能量”的观点去描述各种物理现象 。
焦耳还通过热的研究去探索宇宙的奥秘 。 当年他计算了陨石在大气摩擦中产生的热 ， 发现地球大气层的厚度刚好能提供足够的摩擦阻力 ， 将大部分的陨石化成灰尘 ， 保护了地球上的自然环境和生命 。
1848 年 ， 焦耳在实验中第一次精确地测量出气体分子的运动速度 。 同年 ， 他被 1757 年建立的欧洲最杰出的学术团体杜林皇家科学会（Turin’s Royal Academy of Science）接纳为会员 。 这个科学会的会员包括一些著名科学家如意大利化学家阿梅代奥·阿伏伽德罗（Amedes Avogadro ，1776-1856） ， 法国数学家约瑟夫·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange ，1736-1813）、英国物理学家法拉第和天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel ，1738-1822） 。
1849 年 ， 焦耳在牛津向英国皇家学会做了题为“On the Mechanical Equivalent of Heat”的报告 。 虽然当时不少听众持有怀疑态度 ， 但他的成果最后获得了肯定 ， 让他在《皇家学会会刊》发表了关于“热功当量”的研究论文 。 这项重大贡献和热力学第一定律一起 ， 让焦耳成为了热力学（thermodynamics）的奠基人之一 。
1850 年 ， 32 岁的焦耳被遴选为英国皇家学会院士 。