人类对热的接触和人类文明一样久远，从钻木取火到古埃及的“蒸汽转球”，远古的人类就已认识到了热现象。但人类真正对热本质的探索始于近代。18世纪时，提出了“热质说”(也称“热素说”)，认为热是一种特殊的物质——热质的流动。它不生不灭，可渗透到一切物体之中。一个物体是“热”还是“冷”，由它所含热质的多少决定。较热的物体含较多的热质，冷热不同的两个物体接触时，热质便从较热的物体排入较冷的物体，直到两者的温度相同时为止。一个物体所减少的热质，恰好等于另一物体所增加的热质。
热质说是18世纪的主流观点，是符合人们的日常生活经验的。它试图从自然本身去说明自然，同时也成功地解释了许多热现象。其实，它是18世纪机械的自然观在热学领域的具体表现，与同时代的“燃素说”、“电流质说”、“光微粒说”都是一脉相承的，反映了当时人们对自然认识的总体水平。
热质说流行了大约一个世纪。到了19世纪，人们才认识到热质说是错误的，神秘的热质是子虚乌有的。热不过是物质运动的一种形式，热与功之间可以相互转化。从此对热的本质才有了正确的认识。在对热的本质的探索中，热力学三个定律相继被发现，同时也确立了能量守恒和转化的思想。
（第一节 ）卡诺
热质说在18世纪一直占据统治地位，但也有一些科学家不同意这种观点，因为热质说无法解释摩擦生热、撞击生热等现象。这些科学家提出热是物质运动的一种表现的观点。
其实，早在1644年，笛卡儿就曾指出了运动不灭原理。他根据机械运动中碰撞的动量不变这一事实，提出了宇宙运动的总量是守恒的思想。但当时他既没有自然科学的证明，也没有涉及物质运动形式的转化，因而只能是一种天才的猜测。
18世纪中期，俄国著名科学家罗蒙诺索夫在《论热与冷的原因》一文中断言：热是物质运动的表现，并肯定了运动守恒原理的正确性。但由于当时热质说占统治地位，罗蒙诺夫的观点没有受到重视。
1798年，美国物理学家伦福德把一个炮筒固定在水中，用马拖动钝钻使其与炮筒内壁摩擦，基本上没有钻下铁屑，但能使水沸腾。通过这个实验，伦福德认为，热只能是物质的一种运动。
1799年，戴维(英国人，后来成为大化学家，当时才21岁)以两块冰在绝热的装置中相互摩擦而使之完全融化的事实支持热是物质运动的学说。由于伦福德和戴维没有找出热量同机械功之间的数量关系，他们的实验事实虽然沉重打击了热质说，但并没有推翻它。
第一个对热的本质真正进行科学研究的是法国物理学家、工程师卡诺。
在19世纪初，蒸汽机已得到广泛应用，但效率很低。原因是对热机将热转变成机械运动的基础理论研究一直没有突破，工程师们无法找到提高热机效率的根本途径。
1821年起，卡诺就从理论上对热机进行研究。
1824年，卡诺发表了《关于火的动力的考察》一书，提出了“卡诺循环”理论，明确了热效率的界限，从而奠定了热力学的理论基础。
卡诺认为，热机工作过程中最本质的东西是：热机必须工作干两个热源之间，一个高温热源供给热量，一个低温热源吸收热量，只有这样才能将高温热源的热量不断转化为有用的机械功。但是，当时卡诺作出这种判断的依据却是错误的，他认为，热机动力来源于“热质”从高温热源向低温热源的流动，把热的动力比之于瀑布。
一直到1830年，卡诺才放弃了热质说，接受了热的运动说，并在传记手稿中写道：“人们可以由此提出一个普遍的命题：动力或能量是自然界中一个不变的量。准确地说，它既不能产生也不能消灭。”
实际上，卡诺在1830年的这个见解，已经发现了能量守恒与转化定律。但非常遗憾的是，这一非常有价值的研究见解尚未来得及整理发表，他就死于1832年的霍乱，时年仅36岁。他的遗物和书稿也大部分被焚毁，只残留23页笔记由他弟弟保存下来。但他弟弟不知道那手稿的价值，一直到1878年才整理发表。那时能量守恒和转化定律早已由别人发现。
（第二节 ）能量守恒定律的发现
1832年的那次霍乱致使卡诺英年早逝，也使他与能量守恒定律擦肩而过。十几年后，能量守恒定律终于在迈尔、焦耳等人的努力下被发现。
在热力学的框架内，热力学第一定律和能量守恒定律是等价的。其实，热力学第一定律是能量守恒定律在热力学上的具体表现。
能量守恒定律的内容是自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转换为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转换和传递的过程中，各种形式能量的总量保持不变。
第一个以论文形式阐述能量守恒和转化思想的是德国青年医生迈尔。
1840年1月至1841年1月，迈尔作为船医远航到东印度，发现在热带地区海员的静脉血液比在欧洲时要更红一些。根据拉瓦锡的燃烧理论，迈尔认为，在热带，人的机体只需要吸收较少的热，从而机体中食物氧化过程减弱，静脉血液中留下了较多的氧，因此颜色较红。
他由此得出：人体是一个热机关，体力和体热都来源于食物中所含的化学能，热的一部分变为体温，其他部分转化为筋肉的机械功能。也就是说化学能可以转化为热能。另外，他又听海员们说，暴风雨来临时，海水温度会升高，这使他想到是狂风吹打海水的机械能转化成了热能。
1841年他回国后，写了一篇论文，题目是《论热的量和质的测定》，文中提出了热是运动的观点，说明热是由运动转化来的。但这一文章没有得到承认，德国权威刊物《物理学和化学年鉴》拒绝发表他的文章，也未退稿(该稿36年后才被从编辑部取出发表)。
在学术上第一次遭打击后，迈尔决心进一步学习物理学和数学，并用实验来证实自己的观点。1842年，他用一块与水温相同的金属，从高处落入水槽中，他发现水的温度升高了。长时间用力摇动水槽，水温也升高。不过这些实验都还是定性的。后来又进行了定量的测定，经过一些定量计算，他初步算出了热功当量的值，结果是1卡=0.365千克·米，相当于3．58焦耳，接近于真实的热功当量值(1卡=4.1868焦耳)。
他把他的研究成果写成论文《论无机界的力》，发表在德国《化学与药物学》杂志上。文章发表后，又招来了学术上的第二次打击，权威们都攻击和嘲笑他的荒唐，一致反对他的观点。这使他精神上受到很大的刺激，加上他的两个孩子在1846年和1848年相继夭亡，这一系列的打击使他在1850年5月的一个夜晚跳楼自杀，幸未致死，但患了精神错乱症，长期在格平根的精神病院中疗养，与世隔绝。以致李比希在1858年的一次演讲中宣称迈尔已经因病早亡。渡根多夫的《手册》也正式记载迈尔的“去世”，而以后的更正却不为人们所注意。
七八年后，迈尔逐渐恢复了健康。他的科学成就逐渐为社会所承认。
1858年，瑞士巴塞尔自然科学院接受他为荣誉院士。
他在1860年左右开始出席科学会议。由于英国物理学家廷德耳的力争，迈尔的科学成就在英国也得到了承认。
1871年，他晚于焦耳一年获得了英国皇家学会的科普利奖章。以后他还获得蒂宾根大学的荣誉哲学博士，巴伐利亚和意大利都灵科学院院士的称号。
1878年3月20日因病在海尔布隆逝世。
另一位对能量守恒的发现做出重大贡献的是英国物理学家焦耳，他几乎是与迈尔同时，开展了对能量守恒和转化问题的研究，也取得了重大突破。
焦耳是科学史上著名的实验物理学家。与迈尔的工作不同，他不是从纯理论上的推演，而是通过大量的实验来证明。他用20多年的时间进行了大量的实验，1840年发表了《论伏打电池所产生的热》一文，文中提出，当电流沿金属导线流动时，所产生的热同导体的电阻和电流强度的平方成正比，这就是著名的焦耳定律。1842年，楞次也独立发现了这一定律，故名焦耳-楞次定律。
焦耳在1843年还完成了热功当量的测定。第一次算出的值为1卡=4.6焦耳。后于1845年到1850年间，用5年的时间做了科学史上有名的搅拌实验，精确地测定了机械能转化为热的当量为1卡=4.157焦耳，很接近于41868的真实值。
焦耳对能量守恒定律的研究，命运也不比迈尔好多少。当时许多权威都抱不信任甚至是轻蔑的态度。后来还是得到法拉第的支持，焦耳的观点才逐渐在英国皇家学会得到承认。
在能量守恒定律的发现中，做出过重要贡献的还有格罗夫，他是在伏打电池的基础上发明电压比较高的“格罗夫电池”的人。他是一名英国律师。他在搜集整理当时物理学方面已取得的各种成果基础上，也得出了能量守恒的结论。他在伦敦的一次演讲中指出了一切所谓物理力(即能量)，包括机械、热、光、电、磁、甚至化学力，在一定条件下都可以相互转化，而不发生任何力的损耗。这个演讲稿于1846年以《物理力之间的相互关系》为题在伦敦出版。它是从一般意义上论述能量守恒定律的最早的著作之一。马克思在读了这本书之后认为，他不仅在英国，而且在德国自然科学家中无疑是最有哲学思想的。
第一次使用能量“转化”这个概念的是恩格斯。“能量守恒和转化定律”这个名称确实能更好反映该定律的本质。不过有时为了简便，人们也称之为“能量守恒定律”。
能量守恒定律的发现，具有重大的意义。它生动地证明了自然界各种物质运动形式不仅具有多样性，而且具有统一性。打破了过去人们把热、光、电、磁、化学等运动形式都看做是彼此孤立的形而上学观念，为事物普遍联系的观点提供了强有力的科学依据。
（第三节 ）热力学第二定律
热力学第二定律发现的准备工作是卡诺完成的，但由于受热质说的影响，他已推开了热力学第二定律的大门而没有跨进去，最终没能把这一定律准确地表达出来。不过，卡诺的工作，为热力学第二定律的发现奠定了基础。最终发现热力学第二定律的是开尔文和克劳修斯。
开尔文，原名成廉·汤姆孙，后由于在科学史的巨大贡献而受册封，称开尔文勋爵。他从小就有小神童之称。11岁上大学，22岁当上教授。他因铺设著名的大西洋海底电缆而名扬天下。同时，他在科学的许多领域都做出过贡献。
在热力学方面，开尔文早期信奉热质说，反对能量守恒定律，直到1851年才改变立场，提出了热力学第二定律。他认为不可能用无生命的机器，把物质的任何一部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。这个表述后来被改造为：不可能从单一热源取得热使之完全变为有用功，而不产生其他影响。后来又被奥斯忒瓦尔德表述为“第二类永动机是不可能制造成功的”。
对热力学第二定律进行系统研究的应当首推德国物理学家克劳修斯。
1850年，克劳修斯在热力学第一定律的基础上重新研究了卡诺的工作，认为他揭示的一个热机必须工作于两个热源之间的结论具有原则性的意义，然后用不同的表达式总结出了热力学第二定律，即热不可能独自地、不付任何代价地，或者说没有补偿地从冷物体传向较热的物体；在一个孤立的系统内，热总是从高温物质传到低温物质中去，尽管克劳修斯和开尔文对热力学第二定律的表述不同其实它们是等价的，并且都包含一个共同的真理，即热机在工作过程中不可能把从高温热源吸收的热量全部转化为有用的功，总要把一部分热量传给低温热源，这就是理想热机的效率不可能达到100％的原因。
1865年，克劳修斯把熵的概念引入热力学，用以说明热力学第二定律。他指出：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”。
后来，克劳修斯把热力学第二定律推向了宇宙这个大系统。他认为，宇宙的熵总是力图达到某一最大值，当宇宙的熵达到最大值时，宇宙就失去了继续变化的动力，这时，宇宙将处于某种惰性的死的状态中，不再有多种多样的生命形式，宇宙在热平衡中达到寂静和死亡。这样，克劳修斯就从热力学第二定律得出了宇宙“热寂说”。
（第四节 ）热力学第二定律与进化论
克劳修斯悲观的“热寂说”，引起了学术界的长期争论。原因在于，热力学第二定律是一个科学定律，是不能违背的。但把这一定律在宇宙体系中应用是否合适，看法很不一致，但似乎也没有有力的证据说热力学第二定律不能适用于整个宇宙。更令人无法轻易下结论的是，热力学第二定律所揭示的宇宙图景与进化论的方向是相反的。热力学第二定律揭示了熵增加的方向，指出了世界有自发地向着无序化的方向发展的趋势。而达尔文进化论揭示了生物由简单到复杂、由低级到高级进化的过程。在这里，物理规律和生物规律出现了完全相反的方向。