關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的問題現(xiàn)在被放在一個確定的基礎(chǔ)上，因而可以轉(zhuǎn)向另一個問題——物質(zhì)的行為。

卡諾（1796—1831）　1824年，法國工程師卡諾發(fā)表了他科學(xué)生涯的唯一一部出版物《關(guān)于熱的動力能量的思考》。從理論的角度，這是一篇杰出的文章，因?yàn)樗粌H建立了現(xiàn)代熱動力學(xué)，而且賦予該門科學(xué)的現(xiàn)代形式。但是卡諾對問題的理論方面不太關(guān)心，他關(guān)心的是作為工程師所要碰到的工業(yè)經(jīng)濟(jì)的實(shí)際問題。蒸汽機(jī)已經(jīng)普遍使用，但必須有燃料才能工作?？ㄖZ希望知道對于某一特定開銷的燃料，會得到多少回報(bào)，而且如何將回報(bào)最大化。他想到通過提高高度來提高重量的辦法，他關(guān)于熱的概念的討論也因而與工作聯(lián)系在一起。

焦耳（1818—1889）　卡諾的觀點(diǎn)對于科學(xué)的進(jìn)步影響不大，但道爾頓的學(xué)生，曼徹斯特的詹姆斯·普雷斯科特·焦耳重新對之進(jìn)行發(fā)展時，情況發(fā)生了很大變化。焦耳在功與熱的關(guān)系方面做了一系列非常熟練的實(shí)驗(yàn)，測量了如在容器中攪動水做功產(chǎn)生的熱的量。他將自己的單位功定義為“尺磅”，即將1磅重量提升1英尺所做的功；將熱單位定義為“卡”，即將1磅水在華氏刻度表上提升一格所需要的熱量，然后他提出，兩個單位之間存在一種固定的關(guān)系，一格單位的熱總是提供同樣的確定單位的功——該數(shù)量我們現(xiàn)在描述為“熱功當(dāng)量”。熱和功之間可以互相轉(zhuǎn)換一定已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象，焦耳通過實(shí)驗(yàn)顯示，這種轉(zhuǎn)換是在固定比率的情況下進(jìn)行的，并對比率進(jìn)行了確定。還有運(yùn)動的動能、勢能通常通過活勁來表示，即焦耳所稱的“活的力”。另外一種是潛在能，如鐘錘提升的能量，焦耳發(fā)現(xiàn)，這些也可以通過固定比率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，每一個都有用熱或功表達(dá)的確定對稱項(xiàng)。1847年，他宣布“當(dāng)活的力被明顯毀壞后，無論是通過碰撞、摩擦或是任何類似的方式，都會有確定的熱得到回復(fù)。相反的情況也是這樣……熱、活的力和空間吸引（如果與當(dāng)前課題一致，我也愿意為之發(fā)送一道光）是可以互相轉(zhuǎn)換的。而在這些轉(zhuǎn)換中，沒有任何損失”（這一點(diǎn)首先通過在教堂閱讀室的一個演說向世界宣布，然后在曼徹斯特周報(bào)上向世界首次發(fā)表）。

法拉第的圣誕演講

不僅沒有任何損失，實(shí)際上也沒有獲得任何物質(zhì)，因?yàn)檗D(zhuǎn)換是以固定的比率進(jìn)行的，這表明，明顯的，為什么永久運(yùn)動是不可能的。任何一個自然系統(tǒng)都含有一個確定但有限的做功能力，而永久運(yùn)動要求一個無限和不確定的能力。

討論還可以完全轉(zhuǎn)過來。如果經(jīng)驗(yàn)表明永久運(yùn)動是不可能的，這一定意味著通過轉(zhuǎn)換無法獲得做功的能量，因而所有轉(zhuǎn)換一定具有固定的轉(zhuǎn)換率。1847年，也就是焦耳宣布自己發(fā)現(xiàn)的同一年，德國物理學(xué)家赫爾曼·馮·亥姆霍茲（1821—1894）發(fā)表了一本小冊子《力的守恒》，其中他進(jìn)行了類似的思考并得到了與焦耳一樣的結(jié)論：熱和功可以以固定比率進(jìn)行互換。焦耳是通過直接實(shí)驗(yàn)得到了答案，而亥姆霍茲則是通過基于永久運(yùn)動不可能這樣的抽象思維得出了答案。

開爾文男爵（1824—1907）　大約在同時期，威廉·湯姆森爵士，即后來的開爾文男爵，開始通過數(shù)學(xué)方法研究這些學(xué)說，并在其上建立了連貫的知識體系?，F(xiàn)在已經(jīng)知道，每個物質(zhì)體系都包含有一個熱量場、“活的力”等等，這代表著做功的能力，可以通過固定比率互相轉(zhuǎn)換，而總量在所有轉(zhuǎn)換中保持不變，除非出現(xiàn)了從外界獲得或失去的情況。開爾文將這種現(xiàn)象稱為“能量”，即將引入物理的術(shù)語。

焦耳的原則現(xiàn)在可以表達(dá)為能量得到保存，他對該原則的的第一次明確表述主要與機(jī)械力和熱有關(guān)，但是后來他證實(shí)該原則同樣適用于電力。1853年，化學(xué)家尤利烏斯·湯姆森發(fā)現(xiàn)能量也在化學(xué)轉(zhuǎn)換中得以保存，通過這種方式，能量守恒廣泛的一般原則得以在自然科學(xué)中確立，與質(zhì)量守恒形成了匹配的對稱。能量，和質(zhì)量一樣，被認(rèn)為是具有恒常的總量，宇宙中能量和質(zhì)量重新分配，所發(fā)生的一切變化都不會改變其總量。

開爾文勛爵現(xiàn)在為能量或熱的測量提出了一個準(zhǔn)確的刻度表。在承認(rèn)熱是基于物體粒子的自由運(yùn)動，他提出溫度測量的起點(diǎn)是從0點(diǎn)，即沒有此類運(yùn)動發(fā)生開始——溫度的“絕對零度”。由卡諾提出的理論思考顯示，這對所有物質(zhì)有效，實(shí)驗(yàn)將其確定為-273℃。在此之前的溫度計(jì)依賴汞或其他物質(zhì)的熱膨脹，但開爾文新的“絕對刻度”與特殊物質(zhì)的特性無關(guān)。