人们在长期的生活实践中经常接触到热现象，逐步积累了关于热的知识。但是由于缺乏测量手段和实际应用的迫切性，人们对热的认识水平还是相当的落后，除了定性地发现热传递、透镜能聚焦生热等现象，还没有对热现象规律进行定量的研究。
自从伽利略制造了第一支温度计，就开始了对热进行定量研究。伽利略是热量概念的创立者，为了测量热的量度，在1593年发明了温度计，主要靠空气膨胀来度量温度的变化，不太准确。自此之后，人们对热有了较为明确的量度概念。
人们相继对温度计进行了改进。1642年，意大利的西门图学院制出了酒精温度计，能比较方便地度量热。
1714年，德国物理学家华伦海特发明了水银温度计。他把水银的沸点定为212°，冰、纯水和食盐的混合温度为60°。后来他发现液体的沸点，随着气压的升高而升高，随着气压的降低而降低。华伦海特的温度计，就是人们通常所称的“华氏温标”。
到1742年，瑞典物理学家摄尔希斯把水的沸点作为0°，冰点作为100°，制成了百分温标，后来这种划分被颠倒过来，成为通用的“摄氏温标”。
热量概念的产生和量热仪表的不断精密，使热学不断向前发展。
随着化学中对燃烧现象的研究，诞生了热化学。
这时，人们在生活中和生产实践中已经认识到较热的和较冷的物体的不同，认识到具有不同冷热程序的物体相互接触后使原来较热的物体变冷，原来较冷的物体变热，最后具有同样程度的热。
但是人们还不能正确区分温度和热量这两个概念。
正是在热化学的研究中，英国化学家布莱克最先把温度和热量这样两个不同的热学概念区分开来，分别称为热的强度和热的分量。
布莱克发现熔解、汽化时要吸收热量而不改变温度，提出了“比热”和“潜热”的概念，形成了量热学的基础。
比热是比热容的简称，指单位质量的某种物质，温度升高1℃吸收的热量。潜热即熔解热，即单位质量的某种晶体在熔点变成同温度的液体时吸收热量。汽化时潜热，是单位质量的液体变成同温度的气体时吸收的热量。
布莱克创立了比热的理论，来解释不同物体升高相同的温度所需热量的不同。
关于热的本质，布莱克也进行过探讨。他认为“热”和物体燃烧时的“燃素”一样，是一种由特殊的“热粒子”组成的“热流体”。这种“热粒子”
后来被称为“热素”或“热质”。这就是关于热的本质的“热质说”。
热质说是18世纪占统治地位的观点。它认为热本身是一种没有质量、没有体积、具有广泛渗透性的物质。热从一种物体渗透到另一种物体中去，在热交换之前和之后，热质量是守恒的。
用这种理论可以解释当时已知的热现象。物体的温度高是由于热质多，受热膨胀是由于热质进入物体所造成，热的传递是热质由高温物体到低温物体的流动，太阳光通过透镜聚焦是热质的集中，辐射则是热质的扩散。
布莱克还根据热质说解释潜热现象。他认为固体的融化、液体的蒸发是热质参与化学变化的结果，即热质与冰化合生成水，也可与水化合生成汽。
因此，在冰融为水和水蒸发为汽时，虽然要吸收大量的热质，由于热质被化合掉，温度并没有升高。
热质说是一个错误的理论，但它力图从自然本身去说明自然，并且成功地解释了许多热现象，因此在理解热的本质方面一直占据统治地位。
关于热的本质的另一种解释，认为热是一种运动，即热是看不见的物质分子的运动或是其他粒子的运动。18世纪前的培根和笛卡尔都持这种观点，18世纪40年代，俄国的罗蒙诺索夫也认为热是分子的转动引起的。但这些都是极个别人的观点，没有引起重视。
直到18世纪末，才有一些人开始对热质说表示怀疑。
从美国移居到法国的汤普森，即后来的朗福尔德伯爵是最早从物理学角度论证热与运动相联系的人。
1798年，他在一家兵工厂做了著名的“朗福尔德热学实验”。用锐钻头和钝钻头同时钻造炮膛，并测量它们产生的热量。在相同时间内锐钻头钻得深，但锐钻头比钝钻头产生的热量少。
根据热质说，钝钻头产生的热量多，释放了更多的热质，应该钻进的深度更深。但事实正好相反。
另外，他还发现从钻炮膛发出巨量的热，但周围环境却没有变冷。
这些都是热质说解释不通的，朗福尔德经过分析，认为能够连续不断产生出来的热不可能是物质，热是机械运动的一种形式，它的本质在于机械运动，运动产生热。他还进一步认识到，运动所产生的热的量与所做的功成正比。
这样，他就提出了“热之唯动说”，也就是与热质说对立的热动说。
同一时期，另一位研究热与运动关系的人是英国化学家戴维。1799年，他进行了摩擦冰块的实验。在杜绝热源的装置中，使两块冰相互摩擦，结果冰融化了。
实验证明，两块冰在摩擦运动中产生了热，将冰融化了。
朗福尔德和戴维的实验是令人信服的，为以后热质说的崩溃和热动说的确立提供了最早的实验证据。但这个问题一直到19世纪热力学第一定律问世时，才真正得到解决。
在热动说和热质说的论争中，包含着力学、热学和化学的相互渗透，促进了热力学这门新兴学科的产生。
热力学理论的创立
热力学的理论基础，是由法国工程师卡诺创建的。
萨迪·卡诺，1796年生于法国巴黎，父亲是法国著名的将军、军事工程师，在数学和物理方面也有很深的造诣。卡诺从小受到良好的教育，对数学和物理非常感兴趣，并表现出一定的才能。
卡诺在青年时代就学于巴黎多种工艺学院。在这里，他受深入研究蒸气机的克拉特教授的影响，而喜欢上蒸气机。毕业后，卡诺到陆军中任机械工程师。
卡诺生活的时代，正是蒸气机登上工业动力王位的蒸气时代，蒸气机应用到采矿、机械、冶金、交通运输等一系列工业部门，促使社会生产力迅速发展。尤其是最早进行工业革命的英国，发展更快。
相比之下，法国进展缓慢。1789年法国大革命爆发后，法国政局动荡，战争频繁，1815年拿破仑的“百日王朝”覆灭后，出现了波旁王朝的复辟，法国沦为欧洲的落后国家之一。
为了振兴祖国，法国的有识之士积极从事蒸气机研究，以此促进法国科学和工业的繁荣。人们疾呼：“蒸气机对法兰西极为重要，在英国已证明了它的用途不断扩大，注定要给文明世界带来一场伟大的革命。”
1820年，卡诺离开军队后，就专心致志地研究蒸气机。
英国的瓦特在革新纽可门蒸气机的过程中，曾得到科学的帮助，发明了冷凝器，提高了蒸气机的效率。在18世纪末到19世纪初，蒸气机主要靠工匠的经验技艺制作和改进，因此，它的效率提高很慢。从1794年到1840年，其效率仅由3%提高到8%。
这样，进一步提高蒸气机的效率是生产和交通运输的迫切需要，这是工匠们的经验所不能解决的，必须从理论上去探索热动力的机制，靠热力理论去解决问题。
卡诺在研究蒸气机的过程中，最主要的是研究它的热效率问题，也就是热能和机械能之间转化问题。
卡诺搜集了前人研究蒸气机的资料，经过认真分析后，发现他们仅仅从蒸气机的实用性、安全性和燃料的经济性等方面，来判断它的优劣。卡诺认为，这些方面都不是本质的，在蒸气机的工作过程中，将热能转化为机械能才是最本质的。
因此，提高蒸气机的效率，应该由此着手。卡诺有过良好的数理训练，并熟悉各种蒸气机的设计，于是采用一种抽象的数理分析方法，希望设计一种最理想、功率最大的理想热机。
经过1400个日日夜夜的苦战，1824年，卡诺发表了《关于火的动力及产生这种动力的机器的研究》。
在这部著作里，卡诺舍弃了与热机工作过程无关紧要的辅助因素和次要因素，构思设计了“理想蒸气机”，阐述了他的理想热机理论。
卡诺假设工作物质为理想气体，气体与两个恒温热源（恒定的高温热源和恒定的低温热源）交换能量，即热机没有摩擦、散热、漏气等因素存在，这种热机称为卡诺热机，其循环过程叫卡诺循环。
卡诺指出，只有存在较大温差的两个热源间才能有机械功产生，热机效率与工作物质无关，主要取决于两个热源之间的温差，即锅炉和冷凝器之间的温度差，而与循环过程无关。
他说：“我们可以恰当地把热的动力和一个瀑布的动力相比，瀑布的动力依赖于它的高度和水量，热的动力则依赖于所用的热素和我们可以称之为热素的下落速度，即交换热素的物体之间的温度差。”
卡诺的热机理论，实际上已包括了后来总结的热力学第二定律：热只能在从高温热源转向低温热源的过程中做功。
但是，卡诺用错误的热质说的观念去解释他发现的这一定律。他认为热的动力依赖于热质的数量和热质的温度差。热机在运转时，热质的总量是不变的，热质由高温物体流向低温物体而做功。只有热质本身的守恒，不是热能向机械能的转化。
在不断的探索和研究中，到1830年，卡诺接受了热动说，对热能转化为机械能的认识前进了一步。
卡诺在一篇手稿中写道；“动力或能量是自然界中一个不变量。准确地说，它既不能产生，也不能消灭。实际上它只改变形式，也就是说，它有时引起一种运动，有时则引起另一种运动，但决不会消灭。”
卡诺的这一见解，已接近发现热力学第一定律，也就是能量守恒和转化定律。
遗憾的是，这一有价值的见解还没有来得及发表，卡诺就在1832年的霍乱中死去。直到1878年，他的遗稿才发表。
卡诺生前，由于当时的蒸气机专家和热机工程师几乎都是清一色的实干家，不注重理论，从而使卡诺关于提高热机效率的正确途径得不到应有的重视。
由于卡诺已接近于发现热力学第一定律和热力学第二定律，提出了理想热机的热力循环理论，从而奠定了热力学的理论基础。
卡诺生前，有许多人热衷于“永动机”的研究，幻想发明一种不使用任何能量就可以永远做功的机器，卡诺的热机理论问世后，彻底证明了“永动机”是造不出来的。
卡诺死后，法国另一位工程师克拉佩龙在1834年重新研究了他的理论，并用压力容积图介绍和推广了卡诺的成果，推动了热机研究的深入。
能卡诺揭示了热能和机械能之间的转化，并且说明能量既不能产生，也不能消灭，已接近发现能量守恒和转化定律。同一时期、磁能、电能、化学能等更多的能量之间的转化得到了进一步研究，到20世纪40年代初，能量守恒和转化定律被不同学科的人几乎同时发现了。
“能”这个词，在希腊语里是“使用某种动作”的意思。
把石子放在弹弓的橡皮筋上，用力往后拉，然后突然松手，石子就会飞向远处。这种使别的物体运动或者移动位置的能力就叫做能。
挥动的锤子能把钉子钉进木板里，飞行的炮弹能击穿钢板，猛烈运动的空气——暴风甚至能吹倒树木、毁坏房屋。这种物体由于运动而具有的“能”叫做动能。从观察得知，物体的质量越大，速度越快，它的动能就越大。
位于高处的物体，由于地球引力，其重力的作用方向总是指向低处。如果将山间的雨水汇集到贮水池里，利用水落下时的力量可以推动发电机旋转。
打桩机的重锤落下时，能把木桩或钢铁构件打进地基里。
这种由于物体位于较高的位置而具有的能叫做势能。水池的水和打桩的重锤都具有势能。
在16、17世纪，伽利略和牛顿等科学家，通过确定速度、加速度和力之间的关系，对动能和势能的原理有所认识。他们认识到，当物体下降时速度加快，动能就增加了；同时，高度降低，势能就减少了。如果把物体抛向空中，随着动能的减少，势能就相应增加。
因此，在运动过程中，两种能量的总和总是一个恒量。这就是机械能守恒定律。
到18世纪，人们进一步认识到热、光、声等也具有能量，能量可以从一种形式转化为另一种形式。
最早公布能量守恒和转化定律的是德国青年医生迈尔。
1814年，迈尔出生于德国，1840年他在一艘远洋海轮上当船医，船从荷兰驶往东印度，船在热带的爪哇岛停留时，他给当地人看病。
当他从病人身上抽取出血液时，奇怪地发现，患者的静脉血要比在欧洲见到的病人的静脉血颜色红亮得多，这是为什么呢？
迈尔在学医时，曾研究拉瓦锡的燃烧理论和一些化学知识。在拉瓦锡理论的启示下，他仔细琢磨其中的原因，是不是因为在热带地区气温高，几乎不需要利用血液中的养分就能维持体温呢？
迈尔按照拉瓦锡的观点设想，动物体温是由氧化过程产生的热，由于热带炎热，那么人的体温只需要从食物中吸取少量的热即可维持，因此食物氧化作用减弱，剩下多余的氧留在静脉血里，血红素结合了氧就显得红亮了。
据此，迈尔认为人的体温是由食物化学能转化来的。他进一步认为人体动力，也就是肌肉机械做功的能量，也来源于食物化学能；热能和机械能加在一起的总量，应该等于食物化学能。
这样，热能、机械能和化学能都是等价的，而巨能够相互转化。
在航行期间，迈尔还听船员说：“暴风雨来时，海水温度比平时要高一点。”迈尔认为这应该是机械能转化为热能的缘故。
1841年，迈尔随船回国，对航行期间的发现继续进行研究，并且做了一些实验，写成论文《论力的量和质的量的测定》。在这篇论文里，他提出了热是运动的观点，说明了热是由运动转化来的，并阐述了能量守恒和转化方面的见解。
他把论文投给德国的权威刊物《物理学和化学年鉴》。由于热质说统治着人们的头脑，权威们都相信热是物质而不是运动，因此不承认迈尔的见解，便以缺乏实验依据为由，拒绝发表。
迈尔对学术上的第一次打击非常生气，但又无可奈何，决心进一步用实验来证明自己的观点。
迈尔做了这样两个实验。一是把一块与水温相同的金属，从高处落入水槽里，结果水的温度升高了。二是用力摇动水槽，结果水温也能升高。
当然，这两个实验都是简单的定性实验，但接着迈尔对实验进行了定量测定。1842年，他初步计算出热功当量为1卡等于365克米，相当于3.58焦耳，接近于现代精确的热功当量值4.184焦耳。
1842年，迈尔把自己的研究成果写成论文《论无机界的力》，终于在德国的《化学与药物杂志》上发表。
论文虽然发表了，但没有受到人们的青睐，反而受到了不少嘲笑和攻击：
“迈尔荒唐透顶”，“迈尔空谈哲理”。
学术上的第二次打击，使迈尔精神上受到了很大的刺激，从此迈尔开始脾气暴躁，不断消沉。1850年得了神经紊乱症，曾自杀，但未遂，被送到精神病院。1878年，迈尔逝世。
