标题：能量守恒定律
定律简介
能量（1）自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应：物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷  一种永动机的运动具有电能、原子核内部的运动具有原子能等等。
（2）不同形式的能量之间可以相互转化：“摩擦生热是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能等等”。这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化，且是通过做功来完成的这一转化过程。
（3）某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。表达形式保守力学系统：在只有保守力做功的情况下，系统能量表现为机械能（动能和位能/势能），能量守恒具体表达为机械能守恒定律。 
热力学系统：能量表达为内能，热量和功，能量守恒的表达形式是热力学第一定律。 
核力学系统：在核聚变、核裂变过程中，产生大量能量的同时，有大量的粒子射出，所以物体的质量在减少。如果核聚变、核裂变的过程可逆，那么就需要大量的粒子和大量的能量来构成核聚变、核裂变的逆变过程。核聚变与核聚变逆变、核裂变与核裂变逆变之间，它们的能量是守恒、质量也是守恒。
总的流进系统的能量必等于总的从系统中流出的能量加上系统内部能量的变化，能量能够转换，从一种形态转变成另一种形态。 
系统中储存能量的增加等于进入系统的能量减去离开系统的能量。重要意义能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。从物理、化学到地质、生物，大到宇宙天体。小到原子核内部，只要有能量转化，就一定服从能量守恒的规律。从日常生活到科学研究、工程技术，这一规律都发挥着重要的作用。人类对各种能量，如煤、石油等燃料以及水能、风能、核能等的利用，都是通过能量转化来实现的。能量守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器。
详细内容
定律的三种表述永动机不能造成，能量的转化和守恒定律及热力学第一定律。这三种表述在文献中是这样叙述的：“热力学第一定律就是能量守恒定律。”“根据能量守恒定律，……所谓永动机是一定造不成的。反过来，由永动机的造不成也可导出能量守恒定律。”这里不难看出，三种表述是完全等价的。但笔者认为，这种等价是现代人赋予它们的现代价值，若从历史发展的角度来考查就会发现，三种表述另有它连续性的一面，但还有差异性的一面。这种差异反映了人类认识定律的不同阶段。永动机是不可能造成的1定律的经验性表述——永动机是不可能造成的（1475～1824）
很早以前，人类就开始利用自然力为自己服务，大约到了十三世纪，开始萌发了制造永动机的愿望。到了十五世纪，伟大的艺术家、科学家和工程师达·芬奇（Leonard·do·Vinci 1452～1519），也投入了永动机的研究工作。他曾设计过一台非常巧妙的永动机，但造出来后它并没永动下去。1475年，达·芬奇认真总结了历史上的和自己的失败教训，得出了一个重要结论：“永动机是不可能造成的。”在工作中他还认识到，机器之所以不能永动下去，应与摩擦有关。于是，他对摩擦进行了深入而有成效的研究。但是，达·芬奇始终没有，也不可能对摩擦为什么会阻碍机器运动作出科学解释，即他不可能意识到摩擦（机械运动）与热现象之间转化的本质联系。
此后，虽然人们还是致力于永动机的研制，但也有一部分科学工作者相继得出了“永动机是不可能造成的”结论，并把它作为一条重要原理用于科学研究之中。荷兰的数学力学家斯台文（SimonStevin 1548～1620），于1586年运用这一原理通过对“斯台文链”的分析，率先引出了力的平行四边形定则。伽俐略在论证惯性定律时也应用过这一原理。
尽管原理的运用已取得了如此显著的成绩，但人们研制永动机的热情不减。惠更斯（C·Huygens1629～1695）
在他1673年出版的《摆式时钟》一书中就反映了这种观点。书中，他把伽俐略关于斜面运动的研究成果运用于曲线运动，从而得出结论：在重力作用下，物体绕水平轴转动时，其质心不会上升到它下落时的高度之上。因而，他得出用力学方法不可能制成永动机的结论；但他却认为用磁石大概还是能造出永动机来的。针对这种情况，1775年，巴黎科学院不得不宣布：不再受理关于永动机的发明。
历史上，运用“永动机是不可能制成”的这一原理在科研上取得最辉煌成就的是法国青年科学家卡诺  sadi Carnot（sadi Carnot 1796～1832）。1824年，他将该原理与热质说结合推出了著名的“卡诺定理”。定理为提高热机效率指明了方向，也为热力学第二定律的提出奠定了基础。但这里要特别强调的是，卡诺虽然将永动机不能造成的原理运用于热机，但他的思想方法还是“机械的”。他在论证时将热从高温热源向低温热源的流动同水从高处向低处流动类比，认为热推动热机作功就像水推动水轮机作功一样，水和热在流动中并无任何损失。
可见，从1475年达·芬奇提出“永动机是不可能造成的”起到1824年卡诺推出“卡诺定理”止，原理只能在机械运动和“热质”流动中运用，它远不是现代意义上的能量的转化和守恒定律，它只能是机械运动中的能量守恒的经验总结，是定律的原始形态。
1891年，亥姆霍兹（H·Helmloltz1821～1894）400)
在回顾他研究力的守恒律的起因时说：“如果永动机是不可能的话，那么在自然条件下的不同的力之间应该存在什么样的关系呢？而且，这些关系实际上是否真正存在呢？”可见，“永动机是不能造成的”还很肤浅，要认识它的深刻的内涵，还须人们付出艰苦的劳动。力的守恒2定律的初期表述——力的守恒（1824～1850）
“能量的转比和守恒定律”的提出必须建立在134三个基础之上：对热的本质的正确认识；对物质运动的各种形式之间的转化的发现；相应的科学思想。到十九世纪，这三个条件都具备了。
1798年，伦福特（C· Rumford 1753～1814）向英国皇家学会提交了由炮筒实验得出的热的运动说的实验报告。1800年，戴维（D·H·Davy 1778～1829）用真空中摩擦冰块使之溶化的实验支持了伦福特的报告。1801年，托马斯·杨（ThomasYoung 1773～1829）在《论光和色的理论》中，称光和热有相同的性质，强调了热是一种运动。从此，热的运动说开始逐步取代热质说。
十八世纪与十九世纪之交，各种自然现象之间的相互转化又相继发现：在热向功的转化和光的化学效应发现之后，1800年发现了红外线的热效应。电池刚发明，就发现了电流的热效应和电解现象。1820年，发现电流的磁效应，1831年发现电磁感应现象。1821年发现热电现象，1834年发现其逆现象。等等。
世纪之交，把自然看成是“活力”的思想在德国发展成为“自然哲学”。这种哲学把整个宇宙视为某种根源性的力的发现而引起的历史发展的产物。由这种观点看来，一切自然力都可以看作是一种东西。当时，这种哲学思想在德国和西欧一些国家占有支配地位。
这时，力的守恒原理的提出就势在必行了。
历史上，最早提出热功转换的是卡诺。他认为：“热无非是一种动力，或者索性是转换形式的运动。热是一种运动。对物体的小部分来说，假如发生了动力的消灭，那么与此同时，必然产生与消灭的动力量严格成正比的热量。相反地，在热消灭之处，就一定产生动力。因此可以建立这样的命题：动力的量在自然界中是不变的，更确切地说，动力的量既不能产生，也不能消灭。”同时他还给出了热功当量的粗略值。
可惜，卡诺的这一思想是在他死了46年以后的1878年才被人们发现的。而这之前的1842年，德国的迈耳（J·R·Mayer 1814～1878）最先发表了比较全面的《力的守恒》的论文《论无机界的力》。文中他从“自然哲学”出发，以思辩的方式，由“原因等于结果”的因果链演释出二十五种力的转化形式。1845年，他还用定压比热容与定容比热容之差：Cp-Cv=R，计算出热功当量值为1卡等于365g·m。
1843年，英国实验物理学家焦耳（J·P·Joule 1818～1889）400)this.style.width=400；">
在《哲学杂志》上发表了他测量热功当量的实验报告。此后，他还进行了更多更细的工作，测定了更精确的当量值。1850年，他发表的结果是：“要产生一磅水（在真空中称量，其温度在55°和60°之间）增加华氏1°的热量，需要消耗772英磅下落一英尺所表示的机械功。”焦耳的工作，为“力的守恒”原理奠定了坚实的实验基础。
德国科学家亥姆霍兹于1847年发表了他的著作《论力的守恒》。文中，他提出了一切自然现象都应用中心力相互作用的质点的运动来解释。
由此证明了活力与张力之和对中心力守恒的结论。进面，他还讨论了热现象、电现象、化学现象与机械力的关系，并指出了把“力的守恒”原理运用到生命机体中去的可能性。由于亥姆霍兹的论述方式很有物理特色，故他的影响要比迈耳和焦耳大。
虽然，到此为止，定律的发现者们还是把能量称作“力”；而且定律的表述也不够准确，但实质上他们已发现了能量的转化和守恒定律了。将两种表述比较，可以看出：“力的守恒”比“永动机不能造成”要深刻得多。“力的守恒”涉及的是当已认识到的物质的一切运动形式；同时，它是在一定的哲学思想指导下（迈耳），在实验的基础上（焦耳），用公理化结构（亥姆霍兹）建立起的理论。如果现在仍用“永动机不能造成”来表述定律的话，那已赋予它新的内涵了，即现在的机器可以是机械的，也可以是热的，电磁的、化学的，甚至可以是生物的了；同时，永动机不能永动的原因也得到揭示。
另外，也要看到，“力的守恒”原理虽然有焦耳的热功当量和电热当量的关系式，还有亥姆霍兹推出的各种关系式，但它们都是各自独立的，还没能用一个统一的解析式来表述。因此“力的守恒”还是不够成熟的。热力学第一定律3定律的解析表述——热力学第一定律（1850～1875）
要对定律进行解析表述，只有对“热量”、“功”、“能量”和“内能”这些概念的准确定义才行。
“热量”的慨念早在十八世纪就给出了，就是热质的量。1829年，蓬斯莱（J·V· Poncelet 1788～1867）在研究蒸汽机的过程中，明确定义了功为力和距离之积。而“能量”的概念则是1717年，J·伯努力（J·Bernoulli 1667～1748）在论述虚位移时就采用过了的。托马斯·扬于1805年就把力称为能量，用过了的。托马斯·扬于1805年就把力称为能量，由此定义了扬氏模量。但他们的定义一直未被人们接受，难怪迈耳、焦耳和亥姆霍兹还用“力”来称为能量。这对定律的表述极不利，再加上热质说的影响还远未肃清，因此“力的守恒”原理一直不为大多数人所接受。当然，也有一批有识之士认识到定律的重大意义并为它的完善进行了卓有成效的工作。其中最著名的是英国的W·汤姆孙（W·Thomson1824～1907）和德国的克劳修斯（R·Clausius 1822～1888）正是他们在前人的基础上提出了热力学第一和第二定律，由此建立了热力学理论体系的大厦。
1850年，克劳修斯在德文版《物理学和化学年报》第79卷上，发表了《论热的动力和能由此推出的关于热学本身的定律》的论文。文中指出：卡诺定理是正确的，但要用热运动说并加上另外的方法证明才行。他认为，单一的原理即“在一切由热产生功的情况，有一个和产生功成正比的热量被消耗掉，反之，通过消耗同样数量的功也能产生这样数量的热。”是不够的；还得加上一个原理即“没有任何力的消耗或其它变化的情况下，就把任意多的热量从一个冷体移到热体，这与热素来的行为相矛盾。”来论证。他说，只有这佯，才能把热看成一种状态量。接下来他作了以下的十分重要的工作：
对于永久气体，下式成立：
pV=R（273+t） （1）
P是压力，V是单位质量的体积，t是摄氏温度。再考虑微小的卡诺循环，可由（1）式得出这一过程中所做的功为：
同时也可计算这一过程消耗的热量：
设热功当量的系数为A，应用焦耳原理，由（2）和（3）得：
这时克劳修斯引进了一个新的态函数U，（4）式变为：
对于这个新的态函数，他指出“其性质有如人们通常所说的那样，假定它为总热量，是一个V和t的函数，由变化的过程的初态和终态完全确定。”
U=U（V，t） （6）
就这样，他得出了热力学第一定律的解析式：
dQ=dU-dW （7）
我们知道，一个知识领域只有发展到了揭示和把握对象的规定和量的联系时，也就是当用上了数学工具时，它才真正成为了一门科学。因此，只有到了这个时候，能量的转化和守恒定律才同热力学第二定律的熵的表述一起构成了热力学的理论体系的基础。
1853年，W·汤姆孙重新提出了能量的定义。他是这样说的：“我们把给定状态中的物质系统的能量表示为：当它从这个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零态时，在系统外所产生的用机械功单位来量度的各种作用之和。”他还把态函数U称为内能。直到这时，人们才开始把牛顿的“力”和表征物质运动的“能量”区别开来，并广泛使用。在此基础上，苏格兰的物理学家兰金*（W·J·M·Rankine 1820～1872）才把“力的守恒”原理改称为“能量守恒”原理。
热力学理论建立之后，很多人还是觉得不好理解，尤其是第二定律。为此，从1854年起，克劳修斯作了  W·汤姆孙大量的工作，努力寻找一种为人们容易接受的证明方法来解释这两条原理（当时还是叫原理），并多次用通俗的语言进行宣讲。这样，直到1860年左右，能量原理才被人们普遍承认。表述形成过程4定律的准确表述——能量的转化和守恒定律（1875～1909）
1860年后，能量定律“很快成为全部自然科学的基石。特别是在物理学中，每一种新的理论首先要检验它是否跟能量守恒原理相符合。”但是，时至那时，原理的发现者们还只是着重从量的守恒上去概括定律的名称，而没强调运动的转比。那到底是什么时候原理才被概括成“能量的转比和守恒定律”的呢？从恩格斯在《反杜林论》的一段论述中，可以得到问题的答案。
恩格斯说：“如果说，新发现的、伟大的运动基本规律，十年前还仅仅慨括为能量守恒定律，仅仅概括为运动不生不灭这种表述，就是说，仅仅从量方面概括它，那么这种狭隘的、消极的表述日益被那种关于能量的转化的积极表述所代替，在这里过程的质的内容第一次获得了自己的权利，……”恩格斯这段话发表于1885年，他说十年前消极表述日益被积极表述所代替，由此判断，“能量的转化和守恒定律”这一准确而完善的表述应形成于1875年或稍后一点。
到此为止，似乎有关定律的一切问题都解决了。其实不然。
我们知道，直到二十世纪初，热力学中的一个重要基本概念——热量还是沿用的十八世纪的定义，而这个定义是以热质说为基础的。也就是说，在热力学大厦的基石中还有一块是不牢固的。因此，1909年，喀喇氏（C·Caratheeodory）对内能进行了重新定义：“任何一个物体或物体系在平衡态有一个态函数U，叫做它的内能，当这个物体从第一态经过一个绝热过程到第二态后，它的内能的增加等于在过程中外界对它所做的功W。”
U2-U1=W （8）
这样定义的内能就与热量毫不相关了，它只与机械能和电磁能有关。在这一基础上可以反过来定义热量：
Q=U2-U1-W （9）
直到这个时候，热力学第一定律（能量的转化和守恒定律）、第二定律及整个热力学理论才同热质说实行了最彻底的决裂。
综观全文，可知“能量的转化和守恒定律”的三种表述反映了人类认识这一自然规律的历程。这三种表述一种比一种更深刻，一种比一种更接近客观真理。人类正是这样一步一步地认识物质世界的。
定律发展
历史背景19世纪中叶发现的能量守恒定律是自然科学中十分重要的定律。它的发现是人类对自然科学规律认识逐步积累到一定程度的必然事件。尽管如此，它的发现仍然是曲折艰苦的和激动人心的。能量守恒定律是联系机械能和热能的定律。不言而喻，在它发现之前人们必须对机械能和热能有较深入的研究。焦耳的坚持不懈和迈尔同时期研究能量守恒的还有一个英国人——焦耳（1818~1889），他自幼在道尔顿门下学习化学、数学、物理，他一边经营父亲留下的啤酒厂，一边搞科学研究。1840年，他发现将通电的金属丝放入水中，水会发热，通过精密的测试，他发现：通电导体所产生的热量与电流强度的平方，导体的电阻和通电时间成正比。这就是焦耳定律。1841年10月，他的论文在《哲学杂志》上刊出。随后，他又发现无论化学能，电能所产生的热都相当于一定功，即460千克米/千卡。1845年，他带上自己的实验仪器及报告，参加在剑桥举行的学术会议。他当场做完实验，并宣布：自然界的力（能）是不能毁灭的，哪里消耗了机械力（能），总得到相当的热。可台下那些赫赫有名的大科学家对这种新理论都摇头，连法拉第也说：“这不太可能吧。”更有一个叫威廉·汤姆孙（1824~1907）的数学教授，他8岁随父亲去大学听课，10岁正式考入该大学，乃是一位奇才，而今天听到一个啤酒匠在这里乱嚷一些奇怪的理论，就非常不礼貌地当场退出会场。
焦耳不把人们的不理解放在心上，他回家继续做着实验，这样一直做了40年，他把热功当量精确到了  焦耳423.9千克米/千卡。1847年，他带着自己新设计的实验又来到英国科学协会的会议现场。在他极力恳求下，会议主席才给他很少的时间让他只做实验，不做报告。焦耳一边当众演示他的新实验，一边解释：“你们看，机械能是可以定量地转化为热的，反之一千卡的热也可以转化为423.9千克米的功……”突然，台下有人大叫道：“胡说，热是一种物质，是热素，他与功毫无关系”这人正是汤姆孙。焦耳冷静地回答到：“热不能做功，那蒸汽机的活塞为什么会动？能量要是不守恒，永动机为什么总也造不成？”焦耳平淡的几句话顿时使全场鸦雀无声。台下的教授们不由得认真思考起来，有的对焦耳的仪器左看右看，有的就开始争论起来。
汤姆孙碰了钉子后，也开始思考，他自己开始做试验，找资料，没想到竟发现了迈尔几年前发表的那篇文章，其思想与焦耳的完全一致！他带上自己的试验成果和迈尔的论文去找焦耳，他抱定负荆请罪的决心，要请焦耳共同探讨这个发现。
在啤酒厂里汤姆孙见到了焦耳，看着焦耳的试验室里各种自制的仪器，他深深为焦耳的坚韧不拔而感动。汤姆孙拿出迈尔的论文，说道：“焦耳先生，看来您是对的，我今天是专程来认错的。您看，我是看了这篇论文后，才感到您是对的。”焦耳看到论文，脸上顿时喜色全失：“汤姆孙教授，可惜您再也不能和他讨论问题了。这样一个天才因为不被人理解，已经跳楼自杀了，虽然没摔死，但已经神经错乱了。”
汤姆孙低下头，半天无语。一会儿，他抬起头，说道：“真的对不起，我这才知道我的罪过。过去，我们这些人给了您多大的压力呀。请您原谅，一个科学家在新观点面前有时也会表现得很无知的。”一切都变得光明了，两人并肩而坐，开始研究起实验来。
1853年，两人终于共同完成能量守恒和转化定律的精确表述。活力与死力的论战1644年笛卡尔（Rene Descartes，1596－1650）在他所著的《哲学原理》中讨论碰撞问题时引进了动量的概念，用以度量运动。1687年牛顿(Isac Newton，1642－1727)在他的《自然哲学的数学原理》中把动量的改变来度量力。与此不同的是莱布尼兹（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646－1716）在1686年的一篇论文中抨击笛卡尔，主张用质量乘速度的平方来度量运动，莱布尼兹称之为活力。把牛顿由动量所度量的力也称为死力。莱布尼兹的主张正好和1669年惠更斯关于碰撞问题研究的结论一致，该结论说“两个物体相互碰撞时，它们的质量与速度平方乘积之和在碰撞前后保持不变。”
从莱布尼兹挑起争论起，形成了以笛卡尔和莱布尼兹两大派的论争。这场论战延续了近半个世纪，许多学者都参加了论战，并且各有实验佐证。一直到1743年法国学者达朗贝尔（Jean le Rond d'Alembert，1717－1783）在他的《论动力学》中说：“对于量度一个力来说，用它给予一个受它作用而通过一定距离的物体的活力，或者用它给予受它作用一定时间的物体的动量同样都是合理的。”在这里，达朗贝尔揭示了活力是按作用距离力的量度，而动量是按作用时间力的量度。这场争论终于尘埃落定了。活力才作为一个正式的力学名词为力学家们普遍接受。
活力虽然为力学家接受了，但是它与力的关系并没有弄清楚。一直到1807年英国学者托马斯·杨（Thomas Young，1773，5，10－1829，5，10）引进了能量的概念，1831年法国学者科里奥利（Gustave Gaspard Coriolis，1792－1843）又引进了力做功的概念，并且在活力前加了1/2系数称为动能，通过积分给出了功与动能的联系，即
F=1/2mv2这个式子表示力做功转化为物体的动能。也就是说自然界的机械能是守恒的。温度计的发明关于热的精确理论应当从制造温度计开始。从17世纪开始，在意大利有伽利略（Galilei Galileo，1564－1642）等人开始制做温度计。但是由于采用的温标比较不方便，所以后人使用的很少。
比较早的实用温标是德国物理学家华伦海（Daniel Gabriel Fahrenheit ，1686-1736)从1714年开始使用水银做温度计，并且不断改进，直到1717年大致确定了现在所称的华氏温标。直到华伦海去世后，科学家才正式确定华氏温标为：以水的沸点为212度，把32度定为水的冰点。所以这样规定，是要尽量使通常的温度避免取负值。
摄耳修斯像瑞典天文学家摄耳修斯（Anders Celsius ，1701-1744) 于1742年到1743年发明了摄氏温标，以标准状态下水的结冰温度为零度水的沸点为100度。摄氏温标在1948年被国际度量衡会议定为国际标准。 
温度计的发明给热学的精确化准备了必要的条件，人们可以用它来测量各种不同条件下物质的温度变化。最早人们并没有把温度和热量区分开来，认为温度就是热量。潜热的发现18世纪50年代，英国科学家布莱克(Joseph.Black，1728—1799)把32°F的冰块与相等重量的172°F的水相混合，结果发现，平均温度不是102°F，而是32°F，其效果只是冰块全部融化为水。
布莱克由此作出结论：冰在熔解时，需要吸收大量的热量，这些热量使冰变成水，但并不能引起温度的升高。他还猜想到，冰熔解时吸收的热量是一定的。为了弄清楚这个问题，他把实验反过来作，即观测水在凝固时是否也会放出一定的热量。他把摄氏零下4°的过冷却的水不停地振荡，使一部分过冷却水凝固为冰，结果温度上升了；当过冷却水完全凝固时， 温度上升到摄氏零度，表明水在凝固时确实放出了热量。进一步的大量实验使布莱克发现，各种物质在发生物态变化（熔解、凝固、汽化、凝结）时，都有这种效应。他曾经用玻璃罩将盛有酒精的器皿罩住，把玻璃罩内的空气抽走，器皿中的酒精就迅速蒸发，结果在玻璃罩外壁上凝结了许多小水珠。这说明液体（酒精）蒸发 时要吸收大量的热，因而使玻璃罩冷却了，外壁上才凝结了水珠。
布莱克用一个很简单直观的办法来测定水汽化时所需要的热量。他用一个稳定的火来烧一千克零摄氏度的水，使水沸腾，然后继续烧火，直至水完全蒸发掉。他测出使沸腾的水完全蒸发所烧的时间，为使水由0℃升温到沸腾所烧的时间的4.5倍，表明所供热量之比为100∶450。这个实验当然是很粗糙的，所测的数值也有很大的误差；现在的测定表明这个比值为100∶539。布莱克还用类似的方法测出，熔解一定量的冰所需要的热量，和把相同重量的水加热140°F所需要的热量相等（相当于加热77.8℃所需要的热量），这个数值也偏小了一点，正确的数值为143°F（相当于80℃），但在当时，这种测量结果也是很难得的。
布莱克基于这些实验事实于1760年开始认识到热量与温度是两个不同的概念，进而在1761年他引入了“潜热”概念。
其后，法国科学家拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier，1743－1794）与拉普拉斯（Pierre Simom Laplace，1749－1827）合作在1780年提出了正确测量物质热容量的方法。由于热的精确度量的成熟，1822年法国学者傅里叶（Jean Baptiste Joseph Fourier， 1768～1830）出版了他多年关于热学研究的总结著作《热的解析理论》。热力机械的发明从远古开始人类就认识到由机械运动可以产生热。无论东方和西方，古代都有钻木取火纪录，这就是把机械运动转变为热的早期实践。不过几千年中一直没有人想到机械能和热能的定量转换问题。直到美国人朗福德(Rumford，Benjamin Thompson，Count，1753-1814) 1798年在慕尼黑注意到，当用镗具钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料象火一样发烫，必须不断用水来冷却。朗福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热；如果把这些热都传给原金属，则足可以把它熔化。朗福德的结论是，镗具的机械运动转化为热，因此热则是一种运动形式，而不是以前人们认为的是一种物质。朗福德还试图计算一定量的机械能所产生的热量。这样朗福德首次给出一个我们现在称为热功当量的数值。不过他的数值太高。半个世纪以后，焦耳提供了正确值。
提到热能转变为机械能，最早应当提到的是亚力山大的希罗（Hero of Alexandria，约公元62年前后）发明的蒸汽机。这项发明是一个空心球体上面连上两段弯管，当球内的水沸腾时，蒸汽通过管子喷出，这个球就迅速旋转，这是最早的蒸汽机。不过那时只是用于祭神与玩耍而没有实际应用。
1712年，英国人托马斯·纽可曼（Thomas Newcomen，1663－1729）发明了大气压蒸汽机。这种机器具有汽缸与活塞， 在工作时， 先把蒸汽导入汽缸， 这时汽缸停止供汽而汽缸内进水， 蒸汽便遇冷凝结为水使汽缸内气压迅速降低，就可以使水吸上来。之后再把蒸汽导入汽缸，进行下一个循环。最初的这种蒸汽机大约每分钟往返十次，而且可以自动工作，使矿井的抽水工作大为便利，所以不仅英国人使用，在德国与法国也在使用。
瓦特（James Watt，1736－1819）在18世纪后半叶对蒸汽机进行了改进。其中最重要的改进有两项，一项是发明了冷凝器大大提高了蒸汽机的效率，另一项是发明了离心调速器使蒸汽机速度可自由控制。在瓦特的改进之后蒸汽机才真正在工业上被普遍使用。永动机的不可能据说永动机的概念发端于印度，在公元12世纪传入欧洲。
据记载欧洲最早、最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考（Villand de Honnecourt）的法国人提出来的。如图所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。
随后，研究和发明永动机的人不断涌现。尽管有不少学者研究指出永动机是不可能的，研究永动机的人还是前赴后继。
文艺复兴时期意大利伟大学者达 芬奇（Leonardo da vinc，1452－1519）曾经用不少精力研究永动机。可贵的是他最后得到了永动机不可能的结论。
与达 芬奇同时代还有一位名叫卡丹的意大利人（Jerome Cardan ，1501-1576），他以最早给出求解三次方程的根而出名，也认为永动机是不可能的。
关于永动机的不可能，还应当提到荷兰物理学家司提芬（Simon Stevin，1548 1620）。16世纪之前，在静力学中，人们只会处理求平行力系的合力和它们的平衡问题，以及把一个力分解为平行力系的问题，还不会处理汇交力系的平衡问题。为了解决这类问题，人们把他归结于解决三个汇交力的平衡问题。通过巧妙的论证解决了这个问题。假如你把一根均匀的链条ABC放置在一个非对称的直立（无摩檫）的楔形体上，如图所示。这时链条上受两个接触面上的反力和自身的重力。恰好是三个汇交力。链条会不会向这边或那边滑动？如果会，往哪一边？司提芬想象把楔形体停在空中，在底部由CDA把链条连起来使之闭合，如图，最后解决了 这个问题。在底部悬挂的链条自己是平衡的，把悬挂的部分和上部的链条连起来，斯提芬说：“假如你认为楔形体上的链条不平衡，我就可以造出永动机。”事实上如果链条会滑动，那么你就必然会推出封闭的链条会永远滑下去；这显然是荒谬的，回答必然是链条不动。并且他由此得到了汇交三力平衡的条件。他觉得这一证明很妙，就把图2放在他的著作《数学备忘录（Hypomnemata Mathematica）》的扉页上，他的同辈又把它刻在他的墓碑上以表达敬仰之意。汇交力系的平衡问题解决，也标志着静力学的成熟。
随着对永动机不可能的认识，一些国家对永动机给出了限制。如早在1775年法国科学院就决定不再刊载有关永动机的通讯。1917年美国专利局决定不再受理永动机专利的申请。
据英国专利局的助理评审员F. Charlesworth称：英国的第一个永动机专利是1635年，在1617年到1903年之间英国专利局就收到约600项永动机的专利申请。这还不包含利用重力原理之外的永动机专利申请。而美国在1917年之后还是有不少一时看不出奥妙的永动机方案被专利局接受。迈尔的发现与遭遇迈尔（Julius Robert Mayer，1814－1878）是德国的物理学家。大学时学医，但他并不喜欢当医生，他当过随船医生，工作比较清闲。  迈尔
在西方大约从公元4世纪开始有一种大量放血的治疗方法。一次大约要放掉12到13盎司（约合340－370克，有一杯之多）的血，有的则一直放血放到病人感觉头晕为止。这种疗法的根据是，在古代的西方有一种所谓“液体病理”的理论，说人体含有多种液体，如血、痰、胆汁等。这些液体的过多或不足都会致病。放血的作用就是排除多余液体一种措施。中世纪西方的有钱人，特别是那些贵族上层人物、绅士们，还要在一年中定期放血，一般要在春秋各放血一次。放血另一种作用是使女人看上去更好看，这和西方当时的审美观有关，使她们既显得白皙，又不会因为害羞而满脸通红。所以西方的贵妇人也经常放血。迈尔作为一名医生，不用说也是经常使用放血疗法给人治病的。
大约是在1840年去爪哇的航行中，由于考虑动物体温问题而对物理学发生了兴趣。在泗水，当他为一些患病的水手放血时，他发现静脉的血比较鲜亮，起初他还误以为是切错了动脉。于是他思考，血液比较红是在热带身体不像在温带那样需要更多的氧来燃烧以保持体温。这一现象促使迈尔思考身体内食物转化为热量以及身体能够做功这个事实。从而得出结论，热和功是能够相互转化的。
他又注意到当时许多人进行永动机的实验都以失败而告终，从童年时期就给他留下了深刻的影响。这些使他猜想“机械功根本不可能产生于无”。  迈尔
在1841年9月12日他给友人的信中最早提及了热功当量。他说：“对于我的能用数学的可靠性来阐述的理论来说，极为重要的仍然是解决以下这个问题：某一重物（例如100磅）必须举到地面上多高的地方，才能使得与这一高度相应的运动量和将该重物放下来所获得的运动量正好等于将一磅0℃的冰转化为0℃的水所必要的热量。”
1840年2月22日，他作为一名随船医生跟着一支船队来到印度。一日，船队在加尔各达登陆，船员因水土不服都生起病来，于是迈尔依老办法给船员们放血治疗。在德国，医治这种病时只需在病人静脉血管上扎一针，就会放出一股黑红的血来，可是在这里，从静脉里流出的仍然是鲜红的血。于是，迈尔开始思考：人的血液所以是红的是因为里面含有氧，氧在人体内燃烧产生热量，维持人的体温。这里天气炎热，人要维持体温不需要燃烧那么多氧了，所以静脉里的血仍然是鲜红的。那么，人身上的热量到底是从哪来的？顶多500克的心脏，它的运动根本无法产生如此多的热，无法光靠它维持人的体温。那体温是靠全身血肉维持的了，而这又靠人吃的食物而来，不论吃肉吃菜，都一定是由植物而来，植物是靠太阳的光热而生长的。太阳的光热呢？太阳如果是一块煤，那么它能烧4600年，这当然不可能，那一定是别的原因了，是我们未知的能量了。他大胆地推出，太阳中心约2750万度（现在我们知道是1500万度）。迈尔越想越多，最后归结到一点：能量如何转化（转移）？
他一回到汉堡就写了一篇《论无机界的力》，并用自己的方法测得热功当量为365千克米/千卡。他将论文投到《物理年鉴》，却得不到发表，只好发表在一本名不见经传的医学杂志上。他到处演说：“你们看，太阳挥洒着光与热，地球上的植物吸收了它们，并生出化学物质……”可是即使物理学家们也无法相信他的话，很不尊敬地称他为“疯子”，而迈尔的家人也怀疑他疯了，竟要请医生来医治他。他不仅在学术上不被人理解，而且又先后经历了生活上的打击，幼子逝世，弟弟也因革命活动受到牵连，在一连串的打击迈尔于1849年从三层楼上跳下自杀，但是未遂，却造成双腿伤残，从而成了跛子。随后他被送到哥根廷精神病院，遭受了八年的非人折磨。1858年，世界又重新发现了迈尔，他从精神病院出来以后，被瑞士巴塞尔自然科学院授为荣誉博士。晚年的迈尔也可以说是苦尽甘来，在晚年他先后获得了英国皇家学会的科普利奖章，还获得了蒂宾根大学的荣誉哲学博士、巴伐利亚和意大利都令科学院院士的称号。1878年3月20日迈尔在海尔布逝世。
1842年3月，迈尔写了一篇短文《关于无机界的力的看法》寄给了《药剂学和化学编年史》的主编、德国化学家李比希（Justus von Liebig，1803－1873），李比希立即答应使用这篇文章。机械的热功当量在这篇文章中得到第一次说明。文中说：“人们发现，一重物从大约365米高处下落所做的功，相当于把同重量的水从0℃升到1℃所需的热量。”他的文章发表于1842年5月。
迈尔是最早进行热功当量实验的学者，在1842年，他用一匹马拉机械装置去搅拌锅中的纸浆，比较了马所做的功与纸浆的温升，给出了热功当量的数值。他的实验比起后来焦耳的实验来，显得粗糙，但是他深深认识到这个问题的重大意义，并且最早表述了能量守恒定律。他在1842年底给友人的信中说：“我主观认为，表明我的定律的绝对真理性的是这种相反的证明：即一个在科学上得到普遍公认的定理：永动机的设计在理论上是绝对不可能的（这就是说，即使人们不考虑力学上的困难，比方说摩擦等等，人们也不可能成功地由思想上设计出来）。而我的断言可以全部被视为从这种不能原则中得出的纯结论。要是有人否认我的这个定理，那么我就能立即建造一部永动机。”
迈尔的论文没有引起社会重视，为了补足第一篇论文没有计算、过于简要的缺点，他写了第二篇论文，结果如石沉大海，没有被采用。他论证了太阳是地球上所有有生命能与非生命能的最终源泉。
后来亥姆霍兹与焦耳的论文相继发表，人们将能量守恒定理的发明人归于亥姆霍兹与焦耳。而他的论文既早又系统，却不仅得不到承认，而且还招来了一些攻击文章。再加1848年，他祸不单行，两个孩子夭折、弟弟又因参加革命活动受牵连。1849年，迈尔从三楼跳下，从此成为重残，而后又被诊断为精神分裂，送入精神病院，医生们认为他经常谈论的那种新发现，是一种自大狂的精神病症状。
1858年亥姆霍兹阅读了迈尔1852年的论文，并且承认迈尔早于自己影响很广的论文。克劳修斯也认为迈尔是守恒定律的发现者。克劳修斯把这一事实告诉了英国声学家丁铎尔（John Tyndall，1820-1893），一直到1862年由于丁铎尔在伦敦皇家学会上系统介绍了他的工作，他的成就才得到社会公认。1860年迈尔的早期论文翻译成英文出版，1870年之迈尔被选为巴黎科学院的通讯成员，并且获得了彭赛列奖（Prix Poncelet）。之后迈尔的命运有很大的改善。亥姆霍兹亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz，1821－1894）出生在一个德国的穷教员家里，中学毕业后在军队服役8年，取得公费进入在柏林的王家医学科学院。1842年亥姆霍兹获得了博士学位。1845年他参加了由年轻的学者组织的柏林物理学协会，之后他经常参加协会活动，除作军医之外他还研究一切他感兴趣的问题。
1847年7月23日他向物理学协会作了题为《论力的守恒》的著名报告。报告后，他将文章交给《物理学编年史》的编辑，不料又和6年前迈尔的稿件一样的命运，编辑以没有实验事实而拒绝刊登。后来他将这篇论文作为小册子在另一家有名的出版社出版了。文章的结论与1843年焦耳的实验完全一致，很快就被人们称为“自然界最高又最重要的原理”。时间仅差数年，又由于有有名的出版社出版，他与迈尔的命运完全不同。后来英国学者开尔文采用了杨所提出的能量的概念，采用“势能”代替“弹力”，以“动能”代替“活力”，使在力学中延续了近200年的概念上含混不清的情况得到改变。
关于亥姆霍兹值得介绍的是他在德国科学家发展中所起的组织作用。1870年，他的老师马格努斯（Heinrich Gustav Magnus，1802－1870），德国最早的物理研究所所长，逝世了。当时还是副教授的亥姆霍兹继任为所长。那时，德国的科学研究水平，比起英国与法国要落后得多。不久普法战争结束，德国从法国得到一大笔赔款，德国的经济状况有所改善，亥姆霍兹得到了300万马克的经费去筹建新的研究所，经过5年的努力新研究所建成。这个研究所后来吸引了大批优秀的年轻学者，而且它的研究课题同工业的发展紧密联系，后来形成德国科学研究的一个十分好的传统。在研究所的支持者中有德国的大企业家、大发明家西门子（Sir William Siemens，1823－1883）他与亥姆霍兹是柏林物理协会的第一批会员，是老朋友。亥姆霍兹担任德国物理协会会长达数十年之久。被人称为“德国物理的宰相”。焦耳的热功当量实验焦耳（James Prescott Joule，1818－1889）是一位英国富有的酿造商之子，他的经济条件可以提供他终生做研究工作。焦耳自幼身体虚弱，脊柱曾受过伤，因此他一心读书研究，他父亲为他提供了一个家庭实验室。1835年他认识了曼彻斯特大学的教授道尔顿，受到过后者的指导，焦耳的成功主要是靠自学的。焦耳对数学的知识很少，他的研究主要是靠测量。 1840年他经过多次测量通电的导体，发现电能可以转化为热能，并且得出一条定律：电导体所产生的热量与电流强度的平方、导体的电阻和通过的时间成正比。他将这一定律写成一篇论文《论伏打电生热》。
后来焦耳继续探讨各种运动形式之间的能量守恒与转化关系，1843年他发表了论文《论水电解时产生的热》与《论电磁的热效应和热的机械值》。特别在后一篇论文中，焦耳在英国学术会议上宣称：“自然界的能是不能毁灭的，那里消耗了机械能，总能得到相当的热，热只是能的一种形式。”
此后焦耳不断改进测量方法，提高测量精度，最后得到了一个被称为“热功当量”的物理常数，焦耳当时测得的值是423.9 千克米/千卡。现在这个常数的值是418.4。后人为纪念他，在国际单位制中采用焦耳为热量的单位，取1卡=4.184焦耳。小结只有在功与能的概念变得清晰、热量于温度能够区分，同时对它们能够精确量度，也只有热力机械的走向实用为人们所熟悉，并且在大量永动机的失败条件下，能量守恒定律发现的条件才趋于成熟。
即使这样，人们对先知先觉者的理解也是相对缓慢的。迈尔的遭遇就说明这一点。
前沿拓展
关于能量守恒定律的最新研究，目前有研究者认为，能量守恒定律需要条件限制，它并不是在任何情况任何时空都是普适的，认为时间平移不变性是能量守恒的条件。还有研究者通过分析能量守恒定律，认为各种形式能量的转换遵循等量转换原则是能量守恒定律成立的基本条件，指出了长期以来物理学界一直把∑ E=常量等同于能量守恒是对能量守恒定律认识不足.换位思考能量守恒定律对坐标变换的要求，得出能量守恒定律对坐标变换的要求。关于人们对于能量守恒定律的认识和研究还需要更进一步的深入。