这个时期发展了热力学和分子运动论，这些理论的诞生与热功相当原理有关。热功相当原理奠定了热力学第一定律的基础，而第一定律和卡诺理论结合，又导致了热力学第二定律的形成；热功相当原理与微粒说结合则导致了分子运动论的建立。另一方面，以牛顿力学为基础的气体动力论也开始发展，而在这段时期内人们并不了解热力学与气体动力论之间的关联，热力学与分子动力论彼此还是隔绝的。

能量守恒与功能互换—著名的卡诺循环

卡诺（Nicolas Leonard Sadi Carnot，1796.6.1-1832.8.24）是以“卡诺循环”留名于科学史的，这件事在1824年出版的《关于火的动力考察》里面有详细的说明。开始时卡诺研究促进蒸汽机发展所需要的理论，他的理论基础是“热素的保存”和“永动机械不可能”这两个原理。他指出热从高温物体移到低温物体时才会产生动力，并认为最理想的机械应该具备：由带着活塞的汽缸里面的气体所产生的等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩等四种循环过程（又称卡诺循环）。关于这个过程与相反过程和并的系统，他用永动机不可能的原理证明了“理想的机械，由于同种热素的移动会产生同量的工作，而其量只由温度决定”，这个“卡诺定律”成为热力学的基础。

在这些研究的备忘录中，卡诺放弃热素说，转为热的运动说，几乎到达“能量守恒定律”。但可能因为他不属于物理学家集团，故直到1834年其研究才由克莱佩纶（Benoit Pierre Emile Clapeyron）介绍于世。十年后，英国的凯尔文（William Thompson Baron Kelvin）利用他的研究提倡绝对温度的观念。接着由克劳修斯完成了热力学的基础。其弟在卡诺死后46年（即1878年）将其部分手稿交给法国科学院，这些资料显示他还计算了热功当量的数值，约每千卡365 kgw．m（凯尔文计算的数值每千卡约为3.577焦耳，与现今用的数值每卡4.187焦耳误差约为14.6%）。

卡诺明白指出热不是一种物质而是一种能量的形式。虽然他是最早用热力学能量守恒概念的人，但由于晚了近50年，其间又有梅耶（Julius Robert Mayer, 1814-1878）和焦尔提出功能互换的原理，故一般都不把卡诺视为能量守恒定律的创始人，况且在1878年时第一定律和第二定律皆已完成了。

梅耶是德国的医生，但他对行医兴趣不大。他没有实验设备，更没有从当代物理学家取得任何帮助，是一个独立的研究工作者。1840年左右，他的第一篇论文寄给德国物理年槛，文中提出能量守恒和转换的概念，认为运动、热、电等都可以归结为一种力的现象，它们有一定的规律转换。但此论文被退回未能发表。1842年他不死心又投稿到化学和药学年槛上，除了重述能量守恒的概念，并提出热可以做功，功也可以产生热的能量等价观念，并根据比热试验推出热功当量为1 千卡约为 365 kgw．m。此文也未受重视。于是在1845年他自费印发了第三篇论文，并明确指出热功当量即是气体在等压膨胀过程中所做的功，其值等于定压下所吸收的热量与定容下所吸收的热量之差，后来称为梅耶公式。

因为他所用的推理方法无法为当代人所接受，同时又与焦耳发生谁才是第一个能量守恒定律发现者的争议，再加上两个小孩先后夭折，一连串打击导致其精神失常，在精神病院受尽折磨。

焦耳奠定热力学基础

英国物理学家焦耳奠定了“能量守恒定律”，为热力学的发展奠定基础，同时，其理论亦造就了冷冻系统的发展，改善了普罗大众的生活素质。焦耳花了近四十年的时间来证明功转化为热时，功和所产生的热的比是一个恒定的值，即热功当量。他是第一位研究热能、机械能与电能的相互关系的科学家，也是第一位发现气体自由膨胀时四周温度会随之下降的科学家。

与焦耳同时期的德国著名数学家和物理学家赫姆霍兹（Helmholtz）也对能量守恒和转换定律有重要贡献，他亦将能量形式及守恒的概念作了一些整合。

第一定律的形成

因为功能互换及能量守恒的概念在1845年左右已经形成，故第一定律的数学式也呼之欲出。克劳修斯（Rudolf Julius Emmanuel Clausius）是第一位把热力学第一定律用数学形式表达出来的人。接着又提出热力学第二定律。1854年首次引入“熵”的概念，1865年发现“熵增加原理”，1851年第一次运用统计概念导出气体的压力公式，1858年又引进资又程概念，导出了平均自由程公式。1879年克劳修斯获英国皇家学会的科普利奖。

卡诺的热机理论与第二定律的发现

热力学第二定律的发现与提高热机效率的研究有密切的关系。蒸汽机在十八世纪就已经发明了。1765年和1782年瓦特（James Watt, 1736-1819）两次改进蒸汽机的设计，但效率不高。

1824年，24岁的卡诺发表著名的卡诺定理，对第二定律的热机理论有重要影响。此论文提出可逆的理想引擎，及所谓的“卡诺循环”，得知理想引擎效率取决于热质在转移时与两个温度的差，同时推出永动机是不可能实现的，并证明卡诺循环是具有最大效率的循环。

1850年克劳修斯在揭示第一定律的论文中，他也以能量守恒和转换的观点重新验证了卡诺定理而提出第二定律。在其1854年的论文中提到“如果没有外界做功，热永远不能由冷的物体传向热的物体”。到了1865年第二定律更加成熟，熵的概念被克劳修斯提出，而写出另一种形式的第二定律：即在所有可逆循环过程中，热能变化对温度的熵的积分值为零。