很早的时候，人们就有一个美好的愿望——制造出一种永动机。这种机器不花费任何外加的动力，就能够周而复始地运转下去。这样，人们就能一劳永逸地得到无穷无尽的可供利用的能量。为此许多人耗尽了毕生的精力从事这种永动机的制造。可是，种种设计方案就像一座座空中楼阁那样经不住推敲。达•芬奇在屡经失败后，得出了制造永动机是不可能的结论。然而这一警告并没有使人们从梦幻中醒来。随着工业时代的到来，动力问题引起了广泛的注意，有关永动机的五花八门的设计方案也纷纷出台，但是没有一种方案能经得住实践的检验。1775年，法国科学院作出决议，声明不再审理任何有关永动机的设计方案。
无数次的失败，终于使科学家们意识到大自然中存在着一条不以人的意志为转移的普遍规律。结果到了19世纪40年代，有几位不同国籍的科学家，几乎同时在他们各自的研究领域中，发现了这一规律。这就是被恩格斯誉为19世纪自然科学三大发现之一的能量守恒和转化定律。
其实，人类早就在生产实践中不自觉地利用了能量转化这一原理。古人利用钻木、击石等方式取得火种，实际上就是通过机械运动把动能变为热能。后来，人们学会了利用畜力、水力、风力等来运转机械、驱动舟车，这无非是将一种机械能转变为另一种机械能。而蒸汽机的发明则实现了热能向机械能的转化。尽管人类已经掌握了多种形式的能量转化，但并没有人提出能量守恒和转化定律，因为在从实践通向理论的道路上，还有一个拦路虎——热素说。
热素说认为热是一种没有重量、可以在物体中自由流动的物质，叫做“热素”。热素可以从较热的物体流到较冷的物体中去，就像水从高处流向低处一样。由于热素说把热看成一种物质，否认热是物质运动的一种形式，那就不可能存在热和机械运动之间的转化。就这样，热素说堵塞了通向真理的道路。
1789年，从美国移居到欧洲的科学家伦福德伯爵（1753-1814），在慕尼黑兵工厂监造大炮时，“发现钻炮筒的钻头越钝，钻削的碎屑越少，所产生的热量却越多。这与热素说认为碎屑越少，释放的热素就越少的说法恰好相反。因而，他认为热能够由运动产生，它决不是一种物质。坚持热素说的人对伦福德的见解百般挑剔，嘲笑他违反了常识。
为了证明热确实不是来源于热素，伦福德让几个人把炮筒放在水槽里，找了一支钝得不能再用的钻头钻孔。他用几匹马拉着钻具钻了约两个半钟头，槽里的水竟然沸腾了。没有任何东西供给热素，反而能源源不断地产生出热。这些热是从哪里来的呢？伦福德断言：热只能来源于钻头的运动。然而，热素说的维护者们还不甘心失败，竟说热是由外面的热素跑进来造成的。
1799年，戴维用两块冰在真空中摩擦，并使其周围的温度比冰的还低，结果冰块还是全部融化成了水，其比热比冰还高。这就有力地驳斥了“热是由外面的热素跑进来”的谬论，给热素说以致命的打击，从而为热的唯动说的发展及能量守恒和转化定律的发现开辟了道路。
1840年的一天，在一条从荷兰驶往东印度的船上，德国的青年医生迈尔（1814-1878）正忙着为患病的海员治病。当远洋轮船行到热带海域时，迈尔发现病人的静脉血液比在欧洲时红亮。在拉瓦锡燃烧理论的启发下，他认为这是由于血液含氧较多的缘故。因为在热带高温的条件下，人的机体只需要从食物中吸收较少的热量，所以人体中食物的氧化过程减弱了，这样静脉里就留下了较多的氧气，静脉由于含氧多就会显得比较红。迈尔由此联想到人体内的食物所含的化学能可以转化为热能。此外，他还听到海员们在聊天时说，暴风雨时海水要比平时热。这也启发他联想到机械运动和热量的相当性。
回国后，迈尔继续研究，于1842年完成了第一篇关于能量守恒和转化定律的论文。然而，论文发出去后没多久就被退了回来。迈尔的理论不仅没有被承认，反而受到了冷嘲热讽。
有一次，迈尔在海德尔堡遇见了约利，约利对迈尔说：“如果你的理论是正确的话，水只要晃动几下不就沸腾了吗？那你也就省下烧水了！”迈尔听后，连一句话也没说就走了。
几周以后，迈尔又见到了约利。他坚定地对约利说：“您的说法没错。正是如此，正是如此！”由于迈尔的思想不合乎当时流行的观念，长期受到了人们的诽谤和讥笑，致使迈尔的精神受到了严重的刺激。迈尔曾跳楼自杀未遂。1851年，他被关进疯人院，受到残酷折磨。1853年，他恢复了自由，但却在痛苦中度过了晚年。
1847年，在牛津召开的一次学术会议上，英国年轻的酿酒匠焦耳（1818-1889）正在一边做着热功转化的实验，一边做着简单的介绍。本来，焦耳想在这次全英会议上宣读自己关于能量守恒和转化方面的论文，但是大会主席瞧不起这个没有受过高等教育的酿酒匠，就拒绝了焦耳的要求。经过再三交涉，主席才作了让步，但只允许他在会上演示一下他的实验。
当焦耳讲到热是一种能量形式，各种形式的能量都可以定量地相互转化时，坐在台下的威•汤姆逊再也无法平静，他站起来大声说：“你简直是胡闹。热是一种物质，它根本不可能转化为功！”
汤姆逊比焦耳小6岁，他22岁就当上了格拉斯哥大学教授。他是热素说的拥护者，认为热功是不能互相转化的。他早就听说有个酿酒匠在搞什么热功转化实验，当时就很生气。汤姆逊的发言打乱了大会的程序。会议主席本来不准备让大家在会上讨论焦耳的实验，但现在为时已晚。学者们议论纷纷，大多数人都反对焦耳的观点。就连法拉第也摇着头，说“这不可能！”
正是由于汤姆逊的质问，焦耳的发现才开始引起人们的重视。焦耳出生在一个啤酒酿造商的家庭里。少年时代勤奋好学。在著名化学家道尔顿的影响下，他更加热爱科学，特别喜爱科学实验，有了问题，总想通过实验求得解决。
早些时候，人们就注意，电流通过导线时，有热释放出来。这个现象引起了焦耳的兴趣。他做了大量的实验来分析释放的热量与电流，电阻和通电时间的关系，这使他在22岁的时候就发现了著名的焦耳定律。
焦耳注意到，电能可以转化为热能，摩擦可以生热，那么从高处落下的水，能不能使水温升高呢？有一天，他拿着一支温度计来到一个有瀑布的地方。他测量了瀑布顶端和底部的水温，证实了自己的想法。
大量的事实使焦耳相信：不同形式的能量可以定量地相互转化。但是，焦耳的研究并没有引起人们的注意。皇家学会拒绝发表他的文章，因为在他们看来，一个年轻的酿酒匠的发现不可能有多大学术价值。在朋友们的劝告下，焦耳申请自然哲学教授的候选人，但因他的容貌缺陷而未获准。焦耳只好继续当他的酿酒匠和从事他的科学研究。
焦耳设计了一个很著名的实验。他用垂直下落的砝码来带动轮翼搅水，使水温升高。通过测量水温和重力所做的功，他终于得到了热能与机械能之间的当量数值。
几乎与迈尔和焦耳同时，德国军医出身的物理学家赫尔姆霍茨、丹麦科学家柯尔丁、英国业余科学家、律师格罗夫等人也得到了和焦耳一致的结果。在事实面前，曾经激烈反对焦耳的汤姆逊也改变了自己的观点。有一天，他主动找到焦耳，说：“让我们一起来研究热功当量问题吧。”“我们不是早就在一起工作了吗？”焦耳握着汤姆逊的手，风趣地说：“要不是你在那次会上的发言，我恐怕至今还翻不了身呢！”
从此，“敌手”变成了“战友”，二人密切合作，取长补短。后来，在焦耳的协助下，汤姆逊对能量守恒和转化定律作出了精确的表述，这个定律才真正被人们所接受。
恩格斯十分重视并高度评价了这一运动定律。当时科学家都强调量的“守恒”的一面，把这条定律叫做“能量守恒定律”。恩格斯则突出强调了质的“转化”的一面，他非常明确地把这一规律称为能量守恒和转化定律。这定律指出：一切物质的运动形式可以相互转化，在转变前后它们的能量总和不变；这种转化能力是物质固有的、永恒的，既不能创造也不能消灭。因此，制造一劳永逸的永动机是不可能的。
在千变万化的大自然中，一切运动，包括物理运动、化学运动、生命体内的运动，无不遵循这一定律。它精确地反映了各种运动形式的共同点及其相互依存、相互转化的关系，揭示了宇宙中一切物质运动的统一性。这样就驳斥了那种把各种运动形式割裂开来的形而上学的观点，为辩证唯物主义奠定了坚实的自然科学基础。
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