Arbeidet til den skotske fysikeren William John Macquorn Rankine (1820–1872) og den britisk fysikeren William Thomson Kelvin (Lord Kelvin) (1824–1907) videreutviklet den teoretiske forståelsen av varme og varmekraftmaskiner. Det ble påvist at dampmaskinen var ekstremt ineffektiv, altså at den hadde lav virkningsgrad. Thomson avledet matematisk effektiviteten til en perfekt varmekraftmaskin, kjent som Clausius–Rankine-prosessen. Den viste at jo større temperaturfall som oppstod i maskinen, desto større ville virkningsgraden være. Utviklingen fremover rettet seg mot forbedring av konstruksjonen av dampmaskinen, spesielt at en skulle få en større mengde nyttig arbeid fra en gitt mengde drivstoff. Det fulgte mange tekniske fremskritt, som Corlissventilen (ventiler for inn- og utslipp av damp til sylinderen) oppfunnet av den amerikanske ingeniøren George Henry Corliss (1817–1888), høyhastighets maskiner og forbedrede regulatorer. Andre oppfinnelser var overoppheting av dampen, forbedring av dampkjelene og bruken av drivstoffet.