一、蒸汽机的革命
热力学第一定律就是能量守恒与转化定律，它的诞生是以一定的社会物质生产条件为前提的。蒸汽机的改进和广泛应用，对蒸汽机中能量转换问题的探讨，是人们通向能量原理的重要桥梁之一。
16、17世纪以来，随着工场手工业的发展，煤逐渐代替了木材而成为主要燃料，从而推动了煤矿的开采。为了解决矿井的排水问题，各个矿山都要养许多马，用马轮番拖动排水泵。在17世纪初，英国一些矿山养马达500匹以上，这是既麻烦又费钱的，于是就刺激人们提出利用蒸汽动力的要求。
实际上，古代早就知道了热和蒸汽能产生动力，在我国古代和古希腊都曾经出现过把热能转化为机械能的小型装置。公元前，亚历山大里亚的赫隆就是把蒸汽作为动力制成他的“小涡轮”的。旋转空心球上装有对称的两个弯管喷口，进入球中的蒸汽由方向相反的两个喷口射出，球就绕轴旋转。当时人们只是用这种装置来作游戏耍乐；教堂则利用它来哄骗信徒——把火放在祭坛上时教堂的门就“自动”打开，使礼拜者感到惊愕。到了16世纪以后，人们才从生产需要出发先后设计和研制蒸汽动力装置。
1696年，英国矿山技师托马斯·萨弗里提出一种被称为“矿工之友”的蒸汽水泵。它是由蒸汽锅炉、汽缸、冷水箱、抽水管和排水管组成的。抽水时是依靠汽缸内蒸汽冷凝的真空吸力，排水时靠锅炉内蒸汽的压力。这个机器的所有阀门都是由人力来控制操作的。它的热损失大，运行可靠性很低，工作起来速度很慢；同时由于需要高压蒸汽，锅炉和管道常常漏气，还容易发生爆炸。整套装置只有安装在深井内才能工作，一旦发生故障，极易被井水淹没。因此，这种机器没有被广泛采用，不过它的出现已经是了不起的技术发明。
在这之前，曾作过惠更斯的助手的法国人丹尼斯·巴本，受到惠更斯研究的“火药机械”的启发，产生了用蒸汽代替火药作为动力的想法，于1690年制成了一具有汽缸和活塞的实验性蒸汽机。水在汽缸内直接被加热变成蒸汽，推动活塞上升；在活塞到达顶点时，再向汽缸内喷水，蒸汽凝结而降低压强，活塞就下降。
巴本的研究报告使英国的托巴斯·纽可门受到很大启发，在英国皇家学会的鼓励下，纽可门研究了萨弗里和巴本设计的简单的蒸汽机，1705年发明了自己的大气压力式蒸汽机，并于1712年应用于矿井排水和农田灌溉。纽可门的蒸汽机结构，封闭的圆筒式汽缸里的活塞，系于摇杆的一头，摇杆的另一头连接着排水泵。蒸汽借助水泵连杆的重量推动汽缸内活塞上升，切断蒸汽后，向汽缸内喷入冷水，蒸汽冷凝，活塞下降，于是摇杆带动水泵抽水，由于它可以通过摇杆将蒸汽动力传给其他工作机，并不只限于抽水，所以它是一个广义上的把热转变为机械力的原动机，是蒸汽机发展史上的一次重大突破。但是，这种机器仍然有耗煤量大、动作慢、效率低、较笨重等缺点，而且只能作往复直线运动，限制了它的应用。
18世纪初英国的纺织、冶金、军火、造船等工业迅速发展。以纺织业首先兴起的技术改革大大提高了生产力的水平，动力不足的问题也日益尖锐地反映出来。真正有巨大工业效用的蒸汽机，就是在这种社会需要的推动下在英国首先实现的。
蒸汽机的革命是由詹姆斯·瓦特完成的。瓦特自幼就在他父亲的熏陶下培养了批械制造的才能，20岁时到伦敦学会了制造船舶器械的工艺。1760年，他在格拉斯哥大学开设一间修理店，修理各种仪器。他在修理纽可门机的过程中熟悉了它的结构并了解了它的缺点。瓦特把纽可门机的耗煤情况告诉了格拉斯哥大学教授布莱克，布莱克则用他发现的量热学原理解释了纽可门机耗煤量过大的道理。他指出，纽可门机有相当大的热量和时间的浪费，原因是冷凝系统和汽缸合为一体，活塞在完成每一次冲程时，汽缸都必须冷却一次；在作下一个冲程时，又要通入蒸汽重新加热汽缸和活塞，所以大量的热量（因而燃料）白白地浪费了。在布莱克的启发下，瓦特开始去寻找一个克服这个缺陷的办法。
瓦特在汽缸外面单独装上一个冷却废汽的冷凝器，从而使汽缸始终保持在高温状态。1769年，瓦特终于制成了单向作用的新蒸汽机，它比功率相同的纽可门机省煤四分之三左右，这当然是十分明显的优点。瓦特的这一成就，是自觉地应用当时的热学理论指导实践的结果，显示了科学理论的作用。
瓦特没有在这个成绩面前止步，他看到由于蒸汽只从一面推动活塞，仍然造成了燃料和时间的浪费。能不能让蒸汽从两面交替地推动活塞呢？这个想法在1782年实现了。这种双向作用的蒸汽机的汽缸在活塞的两侧是密闭的，活塞上下的空间利用阀门轮流与蒸汽输入管道以及排气管道接通，使活塞以更大的动力作往复运动。后来瓦特利用一种特殊形式的齿轮传动机构，把活塞的直线运动转变为旋转运动，使这种动力机有了广泛的用途。瓦特还在机器上装上飞轮和离心式调节器，使蒸汽机在发生颤动和负载变化时仍能保持稳定转动。第一批双向作用的蒸汽机的功率为1.5～3.7千瓦，燃料消耗只及同样功率的纽可门机的七分之一。这立即吸引了顾主的兴趣，很快就在英国的纺织、采矿、冶金和交通等方面得到广泛应用，而且被输出到欧美其他国家。
19世纪中期，蒸汽机得到了进一步的改进，高压蒸汽机也被制造出来，其功率达到2.2×105瓦以上。这时，无数烟囱的黑烟，宣告了蒸汽时代的来临！蒸汽技术的成就，为热转化为机械运动作出了令人信服的证明，从古代发现的摩擦生热开始，到蒸汽机的出现，热与机械运动的转化完成了一个循环。因此，蒸汽机的发明和应用，为能量守恒原理的确立提供了一个重要的前提。
二、永动机的骗局
每个国家都有一部人人必须遵守的宪法，自然界也有一部“宪法”，这就是焦耳等人发现并且建立的能量守恒和转化定律。自然界中的一切物质，无一例外地都具有能量。尽管能量的表现形式五花八门，但归纳起来，不外乎有六类，即机械能、热能、电能、光能、化学能和原子能。
其中化学能是一种很隐蔽的能量，它不能直接用来做功，只有在发生化学变化的时候才释放出来，变成热能或者其他形式的能量。像石油和煤的燃烧，炸药爆炸以及人吃的食物在体内发生化学变化时候所放出的能量，都属于化学能。原子能是原子核所具有的能量。自然界里的物质都是由原子组成的，原子里又有原子核，所以都含有原子能。原子能做功的本领和储藏的丰富，都在其他能量之上。
各类能量之间可以互相转化。比如，蒸汽机消耗热能，转化成机械能；发电机消耗机械能，转化成电能，而电动机正好相反，消耗电能，转化成机械能；光照到黑色的物体上，光能被吸收，转化成热能；原子弹爆炸，释放出原子能，转化成热能、光能等。各种形式的能量在转化过程中，总能量始终保持不变。比如电动机在工作的时候，输入的电能不可能全部变成有用的机械能，由于摩擦、电阻等的存在，有一部分电能还会变成无用的热能，但是不管转化成什么形式的能量，这些能量的总和，必定等于所消耗的电能。这就是说，能量绝不会无缘无故地消灭，同样，能量也决不会人为地创造出来的。那种希望通过能量的转化越变越多的想法，纯粹是幻想。
总之，在自然界中物质的任何一种形式的能量，在一定条件下都能够用直接或间接的方式，转化成其他形式的能量，在转化中，总能量保持不变。这就是能量守恒和转化定律。用恩格斯的话来说，这是一条“绝对的自然规律”。他还把这一定律同细胞学说、进化论一起称为对建立辩证唯物主义自然观“具有决定意义的三大发现”。
大家也许都听说过“永动机”，这是一种不需要任何能量，自己就能够做功干活，并且永远运动的机器。但是，这种“永动机”是否能制造出来呢？同永远找不到不吃草的好马一样，不需要能量而永远运动并且能够做功的永动机，也是不可能制造出来的。
自从中世纪有人设计出第一架永动机以来，各种各样的迷人的永动机方案，像重力永动机、弹簧永动机、浮力永动机、毛细管永动机等纷纷出现，不下千万个，但是一个个都成了不动机，原因很简单，因为它们都违背了能量守恒和转化定律。
“魔轮”，这是最早的永动机，第一个“魔轮”出现在七百多年以前的中世纪。在一个轮子的边缘上，装了一些可以活动的短杆，每根杆的末端装了一个铁球。发明家说，无论轮子处在什么位置，右边的铁球总比左边的铁球距离轮轴远一些，根据杠杆原理右边的铁球总要向下压轮子，使它沿着顺时针的方向永远旋转不息。“魔轮”制造出来了，转动了没有呢？没有！问题就在轮子右边的铁球距离轮轴虽然总比较远，但是它们的总数却总比左边的少，结果左右两边旋转轮子的作用刚好相等，互相平衡。
到了17世纪中叶，一个叫伍斯特的人改进了设计，制造了一个庞大的“魔轮”。轮子的直径大约5米，里面分成40格，每格放一个大约重25千克的铁球。伍斯特说，由于分格板形状的特殊设计，轮子右边的铁球总比左边的离轮轴远，所以在它们的重力作用下。轮子应按顺时针方向不停地转动。其实这个“魔轮”还是转动不了的。
磁力—重力永动机，这是17世纪的英国人维尔金斯把磁力和重力作用结合起来设计而成的，立柱上放一个强磁体，斜面和圆弧面倚靠在立柱旁。斜面下端放一个小铁球，上端开有可以通过铁球的圆孔。发明家想：在磁力的吸引下，铁球沿着斜面向上滚，当滚到上端开孔的地方，由于重力作用就掉下来，并且沿着圆弧面加速向下滚，经过弯曲的地方回到斜面下端，然后又被磁体吸上去，这样循环下去，铁球不就永动了吗？但是，这同样是个荒谬的设计，首先，如果磁体的磁性特别强，可以把斜面下端的铁球吸上来，那么当吸引到圆孔的时候，距离近了，吸力应该更大，铁球为什么不被吸引到磁体上去呢？其次，就算铁球从圆孔掉了下来，它将受到重力的和磁力的共同作用，这两个力的方向是相反的，磁力又非常大，所以铁球根本不可能沿斜面作加速运动；就算已经运动到了下端，也决不可能绕过弯曲的地方滚到斜面上。叫人惊讶的是，1878年，经过改良的这个设计，竟然在德国取得了专利权。这在人们寻找永动机的漫长历史上这是惟一的一次。
从能量守恒的观点来看，上面这些永动机的设计有一个共同特点，就是想不供给能量，创造出源源不断的能量来，这当然是徒劳的。可是，要是先供给机器一定的能量，然后让它不停地运转下来，这该可以吧？不错，历史上确实也出现过许多先提供少量能量、以少易多、换得大量能量的永动机设计。但由于他们同样违反规律，最终仍是一些不动机。
发电机—电动机联合永动机，曾经吸引过不少人。有人设计了永动自行车，在前轮上安装一部发电机，利用它发出的电能来转动安装在后轮上的电动机，再让电动机带动后轮转动。这样，只要先转一下自行车前轮，就是先提供一点能量，让它带动发电机，转化成电能，自行车就成了名副其实的永动自行车，不过这一种一本万利的“自行车”，好景不长，一旦开始的时候提供的能量消耗完，自行车也就自行停车了。
无论是无中生有的永动机，还是一本万利的永动机，都是没有的，不但过去没有，现在没有，而且将来也永远不会有。如果有人硬要说有，那只能是冒牌货，像科学史上多次出现过的欺世盗名骗局！
古往今来，曾经醉心于追求永动机的人成千上万，但是无一成功。愚人进入了永动机的迷宫，以为走进了科学的殿堂，碰壁也不回头，一条道走到黑，最后只落得一无所获。聪明人误入迷宫，一些失败，就能吸取教训，迷途知返，从而真正跨进科学的大厦，做出卓越的贡献，焦耳就是这样的典范。能量守恒定律的建立，宣判永动机的死刑。它好像是一块路标，插在寻找永动机的十字路口，警告科学上的迷路人：此路不通！焦耳还用现身说法，向那些仍迷恋永动机的人发出忠告：“不要永动机，要科学！”。
三、热功当量的测定
关于热功当量的测定，是确立能量守恒原理的实验基础。詹姆斯·普雷斯特科·焦耳是曼彻斯特一个酿酒师的儿子和业余科学家，很早就关心各种物理力、特别是当时刚显示出其发展前景的电力的应用价值的研究。
焦耳首先研究了电流的热效应。电流通过金属导线发热的现象是戴维早已发现的，焦耳则进一步确定了电流生热的定量关系。他在玻璃管中装入水银，通以强弱不同的电流，测定相应的温度变化，从而发现了导线的发热量与电流强度的平方成正比；后来又通过对不同金属导线的实验，发现发热量与电阻成正比。1840年他写出了论文《论伏打电所产生的热》，断言导体在一定时间内放出的热量同电路的电阻和电流强度平方的乘积成正比。不久写了《电解时在金属导体和电池组中放出的热》一文，得出结论：电路所放出的全部热量正好等于电池中物质化学变化所产生的热量；电流的机械动力和加热能力都和电流强度有同样的比例关系，所以电流的机械动力和加热能力成正比。这里焦耳已接近热、电、化学能相当的概念，但是焦耳认为这个实验还不能对热的来源作出判断，因为“热质”还可能是通过导线从外界输入的。