焦耳在1837~1847年间，以一连串的实验证实了热量与功之间可以互相转换，并定出了它们单位之间换算的比值。
定义式.热水中一个粒子的热能是：formula_1 其中f是指自由度，T指温度，K为波尔兹曼常数。例如，在理想气体中的一个粒子有三个自由度，因此，formula_2 总热能为在系统中所有粒子的热能总和。因此，对于一个有N个粒子的系统，formula_3请注意，"U"只是总系统能量的一部分，一些能量不随温度而改变，如势能、键能或不变质量（E=mc）。