在第一次工业革命中，蒸汽机的发明、改进和应用，极大地推动了社会的发展。同时，蒸汽机的使用引起人们对热现象的广泛兴趣，推动J人们对热学、热力学和能量转化方面的基础理论的研究。能量转化和守恒定律的发现，是19世纪的三大科学成就之一。这一成就是人们经历长期的实验研究和理论探索的结果。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°C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人物体所造成，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。

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过巴黎多种工艺学院。在这里，他受深入研究蒸汽机的克拉特教授的影响，而喜欢上蒸汽机。毕业后.卡诺到陆军中任机械工程师。卡诺生活的时代，正是蒸汽机登f工业动力王位的蒸汽时代，蒸汽机应用到采矿、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汽机研究，以此促进法国科学和工业的繁荣。

人疾呼：“蒸汽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汽机。英国的瓦特在革新纽克门蒸汽机的过程中，曾得到科学的帮助，发明了冷凝器，提高了蒸汽机的效率。在18世纪末到19世纪初，蒸汽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，进一步提高蒸汽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。卡诺在研究蒸汽机的过程中，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汽机的资料，经过认真分析后，发现他们仅仅从蒸汽机的实用性、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，在蒸汽机的工作过程中，将热能转化为机械能才是最本质的。因此，提高蒸汽机的效率，应该由此着手。卡诺有过良好的数理训练，并熟悉各种蒸汽机的设计，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“理想蒸汽机”，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作功。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作功。

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，由于当时的蒸汽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，幼想发明一种不使用任何能量就可以永远作功的机器，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。

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，也就是肌肉机械作功的能量，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。尽管如此，迈尔是科学史上第一个发表能量守恒和转化定律的人。

能量守恒和转化定律的发现迈尔的经历说明，一个新的科学理论要冲破传统理论的束缚，是何等的艰难。然而，真理是压制不住的。就在迈尔苦于自己的理论得不到承认时，英国的焦耳正在进行同样的工作。焦耳是第一个在广泛的科学实验的基础上发现和证明能量守恒和转化定律的人。

业余物理学家詹姆斯·焦耳，1818年12月24日生于英国曼彻斯特市郊，父亲开了一家酿酒厂，勉强维持家庭生活。焦耳和同龄人相比并不幸运，从小没有上过学，在父亲的酒坊里帮工。在酒坊里，焦耳逐渐地对酿酒过程很感兴趣，便开始自学化学、物理学、数学。焦耳学习非常刻苦，除了参加酿酒劳动外，抓紧一切可以利用的时间努力学习，遇到不懂的问题便想方设法虚心请教。通过别人的介绍，焦耳结识了当时的化学家道尔顿。这个很有影响的大化学家并没有看不起一个酒坊的帮工，而是耐心地解释他的疑难问题，并热情地鼓励他从事科学研究，敢于攀登科学高峰。

焦耳倍受鼓舞，抓住一切机会向道尔顿请教，更加如饥似渴地学习。由于道尔顿没有那么多的时间去指导焦耳，因此焦耳在科学上是靠自学成功的。迈尔发现能量守恒和转化定律，主要是用观察和思辩的方法，而焦耳主要用的是实验的方法。由于焦耳没有脱离酿酒厂的劳动，因此他很早就认识到了准确测量的重要性。

1840年，焦耳多次测量了电流的热效应。焦耳以伏打电池为电源，多次进行通电导体发热的实验。他把通电金属丝放人水中，测出金属丝的电阻、电流强度、通电时间，并测出水的温度变化，还分别算出电流做了多少功。经过多次测定，焦耳发现，通电导体所产生的热量，跟电流强度的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。这就是著名的焦耳定律。

在1842年，德国物理学家楞次也独立地发现了这一定律，故称焦耳一楞次定律。焦耳把自己的实验成果写成论文《论伏打电池所产生的热》，提出热是能的一种形式，电能可以转化为热能。焦耳的学术成果和迈尔的成果一样，没有受到应有的重视，遭到权威们的反对，使他的论文不能立即发表。为了进一步从实验中证实自己的发现，焦耳又进行了各种实验，探讨各种运动形式之间的能量转化关系。他的实验可分为四类：

1.将水放在与外界绝热的容器中，通过重物的下落带动桨状叶轮，叶轮搅动水，水温升高；

2.以机械功压缩气缸里的气体，气缸浸在水中，水温亦升高；

3.以机械功转动电机，电机产生的电流通过水中的线圈，水温升高；

4.以机械功使两块在水面下的铁片互相摩擦，水温也升高。

1843年，焦耳根据实验总结出《论水电解时产生的热》，提出无论如何安排仪器，无论电解池装人线路的哪一部分，线路所需要的全部热量正好等于电池内的化学变化所提供的热量。在这一年，焦耳完成了热功当量的测定，第一次算出的热功当量为卫卡等于460克米。1843年8月，焦耳在皇家学会于柯克举行的学术会议上宣读了他的论文《论磁电的热量效应和热的机械值》。他介绍了自己的实验，公布了热功当量值，明确论述了能量守恒和转化问题。他的报告的结论是：自然界的力量是不能毁灭的，哪里消耗了机械力，总能得到相当的热。他的论文是非常精彩的，料想不到的是，并没有得到承认和赞誉，绝大多数人的态度是怀疑，许多权威对焦耳的观点极不信任，甚至是轻蔑的态度。焦耳并没有因为权威们的轻蔑而泄气，继续从事自己的业余研究。

1844年，焦耳做了压缩空气升温实验，计算出热功当量为1卡等于443.8克米。他又要求在皇家学会宣读自己的论文，却遭到了拒绝。焦耳仍然多次反复地做实验，1847年，焦耳做了迄今为止认为是最好的实验，就是在重物的作用下使转动着的桨和水摩擦而产生热。他还用鲸鱼油代替水进行实验。这时测得的热功当量为1卡等于427.4克米。现在公认的热功当量为1卡等于427克米。可见，焦耳实验所达到的精确程度是罕见的。1847年6月，焦耳要求在牛津大学举行的学术会议上宣读自己的论文。

但是会议主席认为他的论文水平低，以会议内容多为借口不让他宣读，在焦耳的再三要求下，只被允许说说要点。焦耳在会上介绍了自己的实验，并阐明自己的观点。大会主席原来不准备讨论它。但已有较高学术地位的物理学家威廉·汤姆生，即凯尔文勋爵发现了焦耳理论和传统理论的尖锐对立，激烈反对大会主席的决定，焦耳的理论才引起人们的注意和争论。1849年，由于大名鼎鼎的电学家法拉第的力荐，皇家学会才发表了焦耳的论文《论热的机械当量》。这样，从1840年起，焦耳用机械功生热，电流生热，压缩气体生热等不同的做功方法，进行了40多次实验，并以他各种实验结果的精确一致性，为能量守恒和转化定律建立了无可辩驳的坚实的实验基础和理论基础。英国律师、业余物理学家格罗夫也与焦耳大体同时发现了能量守恒和转化定律。

格罗夫1811年生于英国的斯旺西，是一位律师，工作之余进行物理学和化学方面的研究，曾在伏打电池的基础上发明电压比较高的“格罗夫电池”。他从对电的研究中发现了能量守恒和转化定律。1842年，他在伦敦作了《关于自然界的各种力之间的关系》的讲演，指出一切物理力：机械力、热、光、电、磁，甚至还有化学力，在一定条件下都可以互相转化，而不发生任何力的消失。1846年，他出版了《物理力的相互关系》。

马克思称赞格罗夫是当时最有哲学思想的科学家，恩格斯称赞格罗夫用物理学的方法充实和发展了笛卡尔的运动守恒定理。德国物理学家和生物学家赫尔姆霍茨，通过动物热的研究途径，发现了能量守恒定律。他认为“自然力不管怎样组合，也不可能得到无限的能量”，“一种自然力如果由另一种自然力产生时，其力的当量不变。”但赫尔姆霍茨把自然界的一切运动形式最终都归结为机械运动形式和机械力的守恒，用吸引和排斥对一切自然过程作力学解释，不免具有形而上学倾向。另外，丹麦工程师柯尔丁等人也同时发现或接近发现能量守恒和转化定律。

19世纪40年代初发现的能量守恒和转化定律，是19世纪的三大科学成就之一。它被几个不同国家、不同职业的人大体同时发现不是偶然的。19世纪中期，科学研究开始从18世纪的“搜集材料”阶段进人了“整理材料”阶段，是近代科学繁荣昌盛、茁壮成长的时期。技术和科学的相互促进，使得两者都得到了迅速的发展，从而产生了科学的大综合。当然，在能量守恒定律刚提出时，人们的理解是有历史局限性的。有些人用“力”代替“能”，把各种复杂运动归结为简单的机械运动和“某种力的作用”，从而称为“力的守恒定律”。有些人只强调各种运动形式的能量按照一定的数量关系进行转化，即在量的不灭性，而没有说明在质上的永恒性上，忽视了一种运动形式向其他运动形式转化的无限能力。

1853年，汤姆生在焦耳的协助下，对能量守恒和转化定律作了完整的表述：从量的方面说，宇宙间物质运动的能量的变化，是按照一定的数量关系有规律地进行的，一种运动形式的能量变化了，必然产生另一种运动形式的能量，而且两者在转化前后的总和不变。从质的方面说，一切物质的运动形式可以相互转化，物质运动既不能被创造，也不能被消灭。在发现和研究能量守恒和转化定律的过程中，焦耳和其他人相比更为突出，一是他的发现具有热能、电能、机械能等多种形式之间的相互转化的广泛的实验基础，二是他获得了准确的热功当量数值。因此，常常把焦耳当做发现能量守恒和转化定律的代表人物。为了纪念这位杰出的物理学家，后人将功、能、热量的国际制单位命名为“焦耳”。l焦耳等于1牛顿的力使物体在力的方向上移动1米所作的功。

1889年10月11日，焦耳逝世。19世纪50年代，能量守恒和转化定律逐渐得到科学界的普遍承认。能量守恒和转比定律是自然界最基本的规律，深刻地反映了世界的物质件和物质运动的统一性。

能量守恒和转化定律就是热力学第一定律，或者说热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的表现。它指明热是物质运动的一种形式，物质系统从外界吸收的热量等于这个能的增加量和它对外所作的功的总和。也就是说想制造一种不消耗任何能量就能永远作功的机器，即“第一种永动机”，是不可能的。人们继续研究热机效率问题，试图从单一热源吸取能量去制作会永远作功的机器，这种机器并不违背能量守恒定律，只需将热源降温而利用其能量推动机器不断运转。这种机器就是“第二类永动机”。然而这种机器屡遭失败，不能成功，这就需要从理论上进一步探索。前面说过，卡诺已经接近发现了热力学第一定律和热力学第二定律，但他受热质说的影响，不能把它们表述出来。

1850年，德国物理学家克劳胥斯在研究卡诺理论的基础上，提出“一个自行动作的机器，不可能把热从低温物体传到高温物体中去”。这就是热力学第二定律的“克劳胥斯表述”。1851年，英国物理学家威廉·汤姆生，即凯尔文勋爵也独立地从卡诺的工作中发现了热力学第二定律。汤姆生，1824年生于英国贝尔发斯特城。父亲是皇家学院的数学教授，治学勤奋，对子女要求也很严格，1832年被聘到母校格拉斯哥大学任教，全家也迁往该城。当这位新来的教授开始上第一堂课时，同学们发现教室多了两个漂亮的小男孩，也在津津有味地听着，他们就是8岁的汤姆生和他10岁的哥哥。

汤姆生10岁时，和哥哥正式进格拉斯哥大学预科学习，这可能是当时最小的大学生。汤姆生天资聪明，学习勤奋，表现出杰出的才能。15岁，他获得学校的物理学奖，第二年获天文学奖。17岁时，他在剑桥大学的数学杂志上发表了一篇论文，名震全校。此后几年中，汤姆生发表了一连串的研究论文，内容包括数学、热力学和电学。1846年，年仅22岁的汤姆生击败30多位教师候选人，获得了格拉斯哥大学的教授职位。

1847年6月，焦耳在牛津大学举行的学术会议上，阐明机械能可以定量地转化为热能，各种形式的能都可以相互转化。汤姆生出席了这次会议，他也是传统的热质说的拥护者，认为能量不可能转化，准备反驳焦耳的观点。当焦耳用实验证明自己的观点后，汤姆生逐渐明白焦耳学说里包含的真理。汤姆生改变初衷，不但不反驳，而且在会后和焦耳亲切地交谈起来，大有相见恨晚之意。克劳塞在汤姆生传记中写道：“说来也怪有趣的，就是汤姆生在年青时就碰到了两个大名鼎鼎的实验家：法拉第和焦耳，可是后来却只同其中之一的焦耳，成了最投机的同志。”当时，汤姆生正在电磁理论边缘徘徊，和焦耳的一席交谈，使他把注意力转向了热力学研究，从而在物理学的另一个领域大放光彩。

1848年，汤姆生创立了绝对温标。这种温标以—273°C作为0°，用于热力学计算，故称热力学温标。现在公认的绝对0°是—273.15°C。因为威廉·汤姆生在1892年被封为凯尔文勋爵，所以他创立的温标被称为开氏温标，简称K（因为凯尔文又译为开耳芬）。

1815年，汤姆生提出了一条新的普通原理：不可从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。这就是热力学第二定律的凯尔文表述。凯尔文表述揭示了热运动的自然过程是不可逆的，制造第二种永动机也是不可能的。

1852年，汤姆生和焦耳合作，发现了著名的汤姆生——焦耳效应：气体从高气压的空间经过多孔性物质流向低气压空间时，温度要降低，但氢气除外。这个效应被广泛地用于获得低温的技术上。

1853年，汤姆生对能量守恒和转化定律做了完整的表述。汤姆生还把热力学第一定律和热力学第二定律具体应用到热学、电学和弹性现象等方面，对热力学的发展起了很大作用。热力学第二定律后来被归纳为三种表述形式：1.热量总是从高温物体自动传到低温物体，不能作相反传递而不带来其他变化。2.功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所受的热量转变为功，人们无法制造第二种永动机。3.在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵值增加，所以热力学第二定律又称“熵增加原理”。

通过对热机的研究，人们总结出了热力学第一定律和第二定律，它说明了热运动的一般规律，但是热运动的本质是什么呢？从19世纪中期起，科学家们通过对气体分子运动的研究，对热现象进行微观解释，使热学进入到分子运动的水平。通过对热力学和热学的研究，提高了蒸汽机的效率，但是蒸汽机本身有难以克服的缺点。

由于蒸汽机的锅炉需承受重压，必须用结实的材料制造，使蒸汽机很笨重；蒸汽机操纵复杂。锅炉的燃烧需有经验的人专门看管；蒸汽机启动慢，不能随意停止；蒸汽机锅炉容易爆炸，危险性大。更大的缺点是蒸汽机的热效率低，一般只有5%～8%，最好的也不超过10%～13%。由于蒸汽机的锅炉和汽缸是分离的，锅炉在外面燃烧，把燃料的热能传给蒸汽机后再转化为机械功，这种外部燃烧的热损失较高，因此蒸汽机的效率难以提高。在蒸汽机发展的同时，有人开始研究把外燃改为内燃，也就是不用蒸汽做工作介质，利用燃烧后的烟气直接推动活塞运动，把锅炉和汽缸合并起来，这就是内燃机。

1794年，英国工程师斯垂特在研究瓦特蒸汽机的基础上，制造了一台笨拙的内燃机，需要用人力把空气压人汽缸，然后喷人液体燃料，松节油或板油，再点火。1799年，法国工程师蓝蓬提出了以煤气作为燃料，用电火花来点火的内燃机设计方案。其后，英国工程师赖特设计爆发式内燃机，意大利工程师巴尔桑第研制自由活塞式内燃机，等等。到1860年，法国工程师雷诺终于制成第一台实用的爆发式内燃机。这是一台单缸双动发动机，以煤气为燃料，活塞在它的前半冲程吸入煤气和空气的混合气，接着用电火花点燃，于是膨胀气体推动活塞完成后半个冲程。汽缸的另半部进行同样的过程，将活塞推回。

这台内燃机的热效率只有4%，电火花点火也不可靠，但它第一次成为带动其他机构的动力机。欧美报刊纷纷介绍，促进了内燃机的发展步伐。雷诺内燃机的使用，使人们开始探索内燃机理论。卡诺在研究热力学时曾涉及到内燃机的基本原理，提出了压缩点火的可能性。1862年，法国工程师德罗夏发表了内燃机理论，阐述了取得最高效率和最佳经济性能所需要的条件。他明确指出，要制造性能好的内燃机，必须使气体尽快膨胀到最大，并尽量提高膨胀的初始压力，如不能很好地满足这些要求，就会浪费大量气体。

德罗夏提出了实现这些要求的具体步骤，就是把活塞运动分为四个冲程：吸收冲程：活塞下移，汽缸形成真空，并吸入油气燃料；压缩冲程：活塞上移，压缩进人汽缸的油气；爆发冲程：当活塞升到顶端时，电火花引爆油气，气体迅速燃烧膨胀，活塞下移带动传动机作功；排气冲程：活塞再次上升时，把燃尽的气体排出汽缸，回到第一冲程开始前的状态。这种发动机就是四冲程内燃机，在当时是不浪费气体的最好的内燃机，以后的内燃机大多利用这个原理。德罗夏提出四个冲程，只对内燃机理论作出了贡献，并没有实际制造出内燃机。他的理论发表在法国的一家地方刊物上，并没有引起人们的重视。

当时，德国的奥古斯特·奥托也想发明比蒸汽机性能更好的内燃机，煞费苦心地进行设计和研制，但进展不大。一个偶然的机会，他发现了德罗夏的论文，觉得很有道理，便按德罗夏的理论进行研制。

1876年，奥托成功地制造了第一台四冲程内燃机，并取得了专利权，因此通常把内燃机的发明归功于他。奥托内燃机体积小，重量轻，消耗的煤气少，功率也比较大，在1878年巴黎万国博览会上展出，受到极高的评价。自此，越来越多的工厂采用这种发动机来代替蒸汽机。内燃机的历史从此开始。但是奥托煤气内燃机有许多不便之处，不能作为船舶、车辆等运输机械的动力。

1859年，美国的宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井。此后，石油产量不断提高，汽油、煤油、柴油逐渐成为广泛应用的新燃料。1883年德国工程师完成了汽油内燃机，1885年英国的普雷斯特曼研制出煤油内燃机，1892年德国人狄塞尔制造了第一台自动点火的柴油内燃机。内燃机的发明，产生了动力机的一次新革命。内燃机不仅效率高，而且种类多，用途广泛，它推动了交通运输业革命，使汽车和飞机制造业迅速发展起来；引起了农业生产的机械化变革⋯⋯

近代物理学在力学、热学方面取得了巨大成就，同时光学也获得f发展。光是人们最经常碰到的目然现象。很久以前，人们就发现了光的直线传播和反射现象。从16世纪末开始，由于制镜业的发展，磨制凸透镜、凹透镜的技术不断提高，随之望远镜、显微镜、各种眼镜、棱镜等不断地得到使用。光学仪器的发展，为光学研究奠定了物质基础。

1604年，开普勒在发表的光学论文中，对光的直射、折射和视角现象进行了理论探讨，并认为光的强度与光源距离的平方成反比而衰减。1621年，荷兰数学家斯涅尔发现了光的折射定律。当光从一种媒质进人另一种媒质时，光在两媒质的交界面上改变原来的传播方向而发生折射。他发现，在光的折射现象中，折射线和人射线位于法线两侧，且这三条线位于同一平面内；人射角的正弦与折射角的正弦之比，为一定值，且其值由人射光波与两媒质的性质来决定。1637年，笛卡尔也独立地发现了光的折射定律，并对光的折射现象进行了解释。他认为光是由微粒实体组成的，当光微粒碰到反射面后，按照力学定律被弹射回来，就产生了反射。折射是由于光微粒受密度较大的媒质的阻力，而动速度减慢所产生的。

1655年，意大利物理学家格里马第发现了光的衍射现象。他通过实验发现，白光束平常走的是直线，但在遇到障碍物时，就沿障碍物的边界弯曲。物影比其本身大，并同时形成有颜色的边沿。格里马第把这种现象叫做“衍射”，这种现象是用笛卡尔的微粒说所解释不通的。他在实验中发现，衍射现象和水的波浪很类似，便提出了光的波动说，认为光是一种能够作波浪式运动的流体。胡克提出光是“以太”的纵向运动，振动的频率决定光色。

牛顿是17世纪光学的集大成者，对光的颜色问题和本性问题进行了大量的研究，为光学做出了贡献。1672年，牛顿发表了《关于光和色的新理论》的论文。他发现白光可以分解为不同颜色的光，即色散现象，这是光学中的重要突破。他还发现，用一个曲率半径大的凸透镜和一个平面玻璃相接触，用白光照射时，其接触点出现明暗相间的同心彩色圆圈，用单色光照射，则出现明暗相间的单色圆圈。这是由于光的干涉造成的，这种光学现象被称为“牛顿环”。在这篇论文里，牛顿提出了光的本质微粒说。

在解释光的颜色的复合和分解时，他说：“由不同颜色汇合而成的那种变化的颜色也不是真正的颜色，因为当这些不同的光线再被分开时，它们就会显示出汇合以前它们所固有的那种颜色。”他接着说：“正像你看到当蓝和黄的粉末细致地混和时，对肉眼看来是绿的，但是那些成分的粒子的颜色并没有因为混和而真的发生了变化。只是混和了而已。”牛顿的微粒说遭到了胡克的反对，引起了关于光的本质的微粒说和波动说之争的序幕。真正的波粒之争是在以牛顿为代表的微粒说和以惠更斯为代表的波动说之间展开的。1678年，惠更斯向法国科学院提交他的光学著作《光论》，原名是《关于光的理论》，其中解释了发生于反射和折射，尤其是冰洲石中的奇异折射的原因，1690年出版。在这部著作里，惠更斯系统地提出了光的波动说理论。

他认为，光是一种机械波，是由光源的振动发出的。从光源发出的波为子波，从波面各点发出的许多子波形成了包面。在一定时间内，光以一定的波的形式传播到新的波面。光波发出的光是向四面八方传播的球面波，光沿着与球面波垂直的方向传播，这种波使它临近的介质振动。传播光的介质是以太粒子。光的波动说不是惠更斯最先提出来的，但却是他最先进行了理论总结，因此，惠更斯成为波动说的代表人物。波动说比较好地解释了光折射、衍射和干涉，得到很多科学家的支持。为了反驳惠更斯的波动说，牛顿在1704年出版了他的重要著作《光学》，系统地解释了微粒说。

牛顿指出：“光线是否是发光物质发射出来的很小的物体？因为这样一些物体能直线穿过均匀媒质而不会弯到影子区域里去，这正是光线的本性。”他又说：“为了说明光线一阵容易反射，一阵容易透射的猝发现象，我们并不需要别的，而只要把光线看作是微小的物体，这些微粒用它们的吸引力或某种其他的力在它们对之作用的物质中激起振动，这些振动比光跑得更快，连续不断地赶上光线，并激动它们，乃至轮流地增加或减少它们的速度，从而使它们处在一阵一阵的猝发状态之中。”牛顿根据微粒说，解释了一些光的性质。由于惠更斯在1695年逝世后，没有人代表波动说和牛顿论争，同时由于牛顿在科学界的威望非常高，从而使微粒说在18世纪处于统治地位。在那个世纪里，光的微粒说被普遍地接受，只有欧拉和富兰克林赞成波动说，但仅仅是赞成而已。

然而，光的微粒说是有缺点的，它在理论上没有说明光运动中光粒子之间如何吸引或排斥，更谈不上测定这种引力和斥力的大小。另外，它在解释光的衍射现象时也遇到了困难。事实上，牛顿并不完全排斥波动说，并试图把这两种观点统一起来，只不过是偏向微粒说而已。