能量守恒和转化定律的发现
能量守恒定律，又称热力学第一定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。
热力学第一定律的发现，是在当时工程技术的迫切需要下出现的。在18世纪末19世纪初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人们越来越关注热和功的转化问题。在1798~1849年间，热动说取代了热素说和热功当量的发现与精确确定的基础上，由于研究热机原理和能量转化守恒关系的迫切需要，在理论和实践条件基本成熟后，热力学第一定律应运而生。
热力学第一定律是迈尔（Mayer）在19世纪早期提出的，中期才被焦耳的实验结果所证明。这一点上焦耳做了大量的实验，历经二十多年，证明热和功之间有一定的转化关系，即热功当量1卡=4.18焦耳，1卡热相当于4.18焦耳的功。这为能量守恒与转化定律提供了科学的实验证明。因此，热力学第一定律是人类长期经验的总结，其基础极为广泛，再不需用别的原理来证明，至今无论是宏观世界，还是微观世界中，都未发现过任何例外情况。
迈尔的经历说明，一个新的科学理论要冲破传统理论的束缚，是何等的艰难。然而，真理是压制不住的。就在迈尔苦于自己的理论得不到承认时，英国的焦耳正在进行同样的工作。
焦耳是第一个在广泛的科学实验的基础上发现和证明能量守恒和转化定律的人。
迈尔发现能量守恒和转化定律，主要是用观察和思辨的方法，而焦耳主要用的是实验的方法。
1840年，焦耳多次测量了电流的热效应。焦耳以伏打电池为电源，多次进行通电导体发热的实验。他把通电金属丝放入水中，测出金属丝的电阻、电流强度、通电时间，并测出水的温度变化，还分别算出电流做了多少功。经过多次测定，焦耳发现，通电导体所产生的热量，跟电流强度的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。这就是著名的焦耳定律。1842年，德国物理学家楞次也独立地发现了这一定律，故称焦耳—楞次定律。
焦耳把自己的实验成果写成论文《论伏打电池所产生的热》，提出热是能的一种形式，电能可以转化为热能。焦耳的学术成果和迈尔的成果一样，没有受到应有的重视，遭到权威们的反对，使他的论文不能立即发表。
为了进一步从实验中证实自己的发现，焦耳又进行了各种实验，探讨各种运动形式之间的能量转化关系。
他的实验可分为4类：
（1）将水放在与外界绝热的容器中，通过重物的下落带动桨状叶轮，叶轮搅动水，水温升高；（2）以机械功压缩气缸里的气体，气缸浸在水中，水温亦升高；（3）以机械功转动电机，电机产生的电流通过水中的线圈，水温升高；（4）以机械功使两块在水面下的铁片互相摩擦，水温也升高。
1843年，焦耳根据实验总结出《论水电解时产生的热》，提出无论如何安排仪器，无论电解池装入线路的哪一部分，线路所需要的全部热量正好等于电池内的化学变化所提供的热量。在这一年，焦耳完成了热功当量的测定，第一次算出的热功当量为1卡等于460克米。
1843年8月，焦耳在皇家学会于柯克举行的学术会议上宣读了他的论文《论磁电的热量效应和热的机械值》。他介绍了自己的实验，公布了热功当量值，明确论述了能量守恒和转化问题。他的报告的结论是：自然界的力量是不能毁灭的，哪里消耗了机械力，总能得到相当的热。
他的论文是非常精彩的，料想不到的是，并没有得到承认和赞誉，绝大多数人的态度是怀疑，许多权威对焦耳的观点极不信任，甚至是轻蔑的态度。焦耳并没有因为权威们的轻蔑而泄气，继续从事自己的业余研究。1844年，焦耳做了压缩空气升温实验，计算出热功当量为1卡等于443.8克米。他又要求在皇家学会宣读自己的论文，却遭到了拒绝。
焦耳仍然多次反复地做实验，1847年，焦耳做了迄今为止认为是最好的实验，就是在重物的作用下使转动着的桨和水摩擦而产生热。他还用鲸鱼油代替水进行实验。这时测得的热功当量为1卡等于427.4克米。现在公认的热功当量为1卡等于427克米。
可见，焦耳实验所达到的精确程度是罕见的。
1847年6月，焦耳要求在牛津大学举行的学术会议上宣读自己的论文。但是会议主席认为他的论文水平低，以会议内容多为借口不让他宣读，在焦耳的再三要求下，只被允许说说要点。焦耳在会上介绍了自己的实验，并阐明自己的观点。大会主席原来不准备讨论它，但已有较高学术地位的物理学家威廉·汤姆逊，发现了焦耳理论和传统理论的尖锐对立，激烈反对大会主席的决定，由此焦耳的理论才引起人们的注意和争论。
1849年，由于电磁感应现象的发现者法拉第的力荐，皇家学会才发表了焦耳的论文《论热的机械当量》。
这样，从1840年起，焦耳用机械功生热、电流生热、压缩气体生热等不同的做功方法，进行了40多次实验，并以他各种实验结果的精确一致性，为能量守恒和转化定律建立了无可辩驳的坚实的实验基础和理论基础。
英国律师、业余物理学家格罗夫也与焦耳大体同时发现了能量守恒和转化定律。
格罗夫1811年生于英国的斯旺西，是一位律师，工作之余进行物理学和化学方面的研究，曾在伏打电池的基础上发明电压比较高的“格罗夫电池”。
他从对电的研究中发现了能量守恒和转化定律，1842年，他在伦敦做了《关于自然界的各种力之间的关系》的讲演，指出一切物理力：机械力、热、光、电、磁，甚至还有化学力，在一定条件下都可以互相转化，而不发生任何力的消失。1846年，他出版了《物理力的相互关系》。
马克思称赞格罗夫是当时最有哲学思想的科学家，恩格斯称赞格罗夫用物理学的方法充实和发展了笛卡尔的运动守恒定理。
德国物理学家和生物学家赫尔姆霍茨，通过动物热的研究途径，发现了能量守恒定律。他认为“自然力不管怎样组合，也不可能得到无限的能量”，“一种自然力如果由另一种自然力产生时，其力的当量不变”。
但赫尔姆霍茨把自然界的一切运动形式最终都归结为机械运动形式和机械力的守恒，用吸引和排斥对一切自然过程做力学解释，不免具有形而上学倾向。
另外，丹麦工程师柯尔丁等人也同时发现或接近发现能量守恒和转化定律。
19世纪40年代初发现的能量守恒和转化定律，是19世纪的三大科学成就之一。它被几个不同国家、不同职业的人大体同时发现不是偶然的。19世纪中期，科学研究开始从18世纪的“搜集材料”阶段进入了“整理材料”阶段，是近代科学繁荣昌盛、茁壮成长的时期。技术和科学的相互促进，使得两者都得到了迅速的发展，从而产生了科学的大综合。
当然，在能量守恒定律刚提出时，人们的理解是有历史局限性的。有些人用“力”代替“能”，把各种复杂运动归结为简单的机械运动和“某种力的作用”，从而称为“力的守恒定律”。有些人只强调各种运动形式的能量按照一定的数量关系进行转化，即量的不灭性，而没有说明在质上的永恒性上，忽视了一种运动形式向其他运动形式转化的无限能力。
1853年，汤姆逊在焦耳的协助下，对能量守恒和转化定律做了完整的表述：
从量的方面说，宇宙间物质运动的能量的变化，是按照一定的数量关系有规律地进行的，一种运动形式的能量变化了，必然产生另一种运动形式的能量，而且两者在转化前后的总和不变。
从质的方面说，一切物质的运动形式可以相互转化，物质运动既不能被创造，也不能被消灭。
在发现和研究能量守恒和转化定律的过程中，焦耳和其他人相比更为突出，一是他的发现具有热能、电能、机械能等多种形式之间的相互转化的广泛的实验基础；二是他获得了准确的热功当量数值。因此，常常把焦耳当做发现能量守恒和转化定律的代表人物。
为了纪念这位杰出的物理学家，后人将功、能、热量的国际制单位命名为“焦耳”。
1焦耳等于1牛顿的力使物体在力的方向上移动1米所做的功。
1889年10月11日，焦耳逝世。
19世纪50年代，能量守恒和转化定律逐渐得到科学界的普遍承认。
能量守恒和转化定律是自然界最基本的规律，深刻地反映了世界的物质性和物质运动的统一性。
热力学第二、第三定律
在热力学第一定律之后，人们开始考虑热能转化为功的效率问题。这时，又有人设计这样一种机械——它可以从一个热源无限地取热从而做功。这被称为第二类永动机。1824年，法国陆军工程师卡诺设想了一个既不向外做功又没有摩擦的理想热机。通过对热和功在这个热机内两个温度不同的热源之间的简单循环（卡诺循环）的研究，得出结论：热机必须在两个热源之间工作，热机的效率只取决于热源的温差，热机效率即使在理想状态下也不可能达到100%，即热量不能完全转化为功。
1850年，克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理，指出：一个自动运作的机器，不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化，这就是热力学第二定律。不久，开尔文又提出：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响；或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。奥斯特瓦尔德则表述为：第二类永动机不可能制造成功。
在提出第二定律的同时，克劳修斯还提出了熵的概念S=Q/T，并将热力学第二定律表述为：在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵增加。但在这之后，克劳修斯错误地把孤立体系中的熵增定律扩展到了整个宇宙中，认为在整个宇宙中热量不断地从高温转向低温，直至一个时刻不再有温差，宇宙总熵值达到极大。这时将不再会有任何力量能够使热量发生转移，此即“热寂论”。
为了批驳“热寂论”，麦克斯韦设想了一个无影无形的精灵（麦克斯韦妖），它处在一个盒子中的一道闸门边，它允许速度快的微粒通过闸门到达盒子的一边，而允许速度慢的微粒通过闸门到达盒子的另一边。这样，一段时间后，盒子两边产生温差。麦克斯韦妖其实就是耗散结构的一个雏形。
1877年，玻尔兹曼发现了宏观的熵与体系的热力学几率的关系，1906年，能斯特提出“能斯特热原理”，普朗克在能斯特研究的基础上，利用统计理论指出，各种物质的完美晶体，在绝对零度时，熵为零，这就是热力学第三定律。
热力学三定律统称为热力学基本定律，从此，热力学的基础基本得以完备。电磁感应电磁感应现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。迈克尔·法拉第于1831年首先发现了感应现象。
电磁感应现象的发现，是电磁学领域中最伟大的成就之一。它不仅揭示了电与磁之间的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础，为人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路，在实用上有重大意义。电磁感应在电工、电子技术、电气化、自动化方面的广泛应用对推动社会生产力和科学技术的发展发挥了重要的作用。
