El principio de la conservación de la energía establece que el valor de la energía en un sistema sobre el cual no interactúa ningún otro no varía con el tiempo. Aplicando este principio a los sistemas termodinámicos se puede extraer la consecuencia de que el aumento de la cantidad de energía térmica en un sistema es igual a la suma del incremento de la energía interna del sistema y el trabajo.
A mediados del siglo XIX se realizaron los experimentos que demostraron la relación entre el calor y el trabajo. James Joule publicó en 1850 la obra El equivalente mecánico del calor, explicando los experimentos que llevó a cabo y que le permitieron demostrar que la energía producida por el trabajo tiene calor como resultado y puede medirse: existe una relación de equivalencia entre trabajo y calor. La energía suministrada como trabajo se transforma en otro tipo de energía, en calor.
Para sus pruebas ideó un aparato que consistía en un recipiente hermético con un eje rotatorio con ocho paletas que agitaban un líquido. El eje estaba conectado con poleas a dos pesos conocidos. Al dejar caer los pesos, el eje giraba y movía las palas que, a su vez, agitaban el líquido del recipiente. Tras repetir veinte veces el mismo experimento, las conclusiones fueron:
1) El calor producido por la fricción es proporcional a la cantidad de trabajo mecánico existente
2) Es necesaria una fuerza mecánica equivalente a la caída de 772 libras desde la altura de un pie para aumentar en 1ºF la temperatura de una libra de agua
2) Es necesaria una fuerza mecánica equivalente a la caída de 772 libras desde la altura de un pie para aumentar en 1ºF la temperatura de una libra de agua
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