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不到100年前，迈尔（Mayer）猜想到一个新的线索，这一线索引出了热量作为能量的一种形式的概念，并被焦耳的实验证实。令人惊奇的是，几乎所有关于热的本质的基本工作都是由非专业的物理学家完成的，他们只不过把物理学当成最大的爱好。这里有多才多艺的苏格兰人布拉克、德国医生迈尔及著名的美洲冒险家伦福德伯爵——他后来居住在欧洲，除其他活动外，他还成为巴伐利亚的陆军大臣。还有英国的酿酒师焦耳，他在业余时间进行了一些关于能量守恒的重要实验。
焦耳通过实验验证了热量是能量的一种形式的猜测，并确定了能量的转换率。他的结果值得我们看一下。
一个系统的动能和势能共同构成了它的机械能。在云霄飞车的例子中，我们猜测一部分机械能转换成了热能。如果这是对的，那么在这里及所有其他类似的物理过程中，这二者之间必定有一个确定的 转换率 。这是一个严格的定量问题，但一定量的机械能可以变成一定量的热能这一点是非常重要的。我们想知道表示转换率的数字是多少，也就是说，我们从给定量的机械能中可以获得多少热。
确定这个数字就是焦耳的研究目的。在他所进行的实验当中，有一个实验的机制非常类似于摆钟。给钟表上发条会提升两个重锤，从而增加系统的势能。如果时钟不受到进一步的干扰，它就可以被看作一个封闭系统。重锤逐渐下降，时钟逐渐慢下来。在一段时间后，重锤将到达最低点，而时钟将会停止。能量有什么变化呢？重锤的势能变成了机制的动能，随后逐渐以热的形式消散了。
图1-20
焦耳巧妙地改造了这种机制，便能够测量热量的损耗，从而测量能量转换率。在他的装置中，两个重锤使浸在水中的桨轮转动。重锤的势能转变为可动部件的动能，然后变成热，使得水温升高。焦耳测量了温度的变化，并利用已知的水的比热计算出吸收的热量。他将多次试验的结果总结如下：
1.物体（无论是固体还是液体）摩擦产生的热量总是与消耗的力（焦耳所说的力指的是能量）的大小成正比。
2.将1磅水（在55华氏度到60华氏度的真空中称重）升高1华氏度的热量需要消耗的机械力（能量）可以用772磅物体在空间中下降1英尺来表示。
换句话说，高出地面1英尺的772磅物体的势能相当于将1磅水从55华氏度升高到56华氏度所需的热量。虽然后来的实验者能够提高实验的准确度，但热功当量主要是焦耳在他的先驱工作中发现的。
一旦这项重要工作完成，进一步的进展就快多了。人们很快就认识到，机械能和热能只是能的多种形式中的两种。任何东西，只要可以转化为二者中的一种，那它也是能量的一种形式。太阳发出的辐射是能量，因为其中一部分在地球上被转化为热量。电流具有能量，因为它可以使导线发热或者使电动机转动。煤代表着化学能，当煤燃烧时会释放出热量。在自然界的每一种现象中，能量以某个确定的转换率由一种形式转换成另一种形式。在一个与外部隔绝的封闭的系统中，能量是守恒的，因此表现得像一种物质。在这样的系统中，虽然任何一种能量的大小可能发生变化，但所有形式的能量的总和是不变的。倘若我们将整个宇宙视为一个封闭的系统，我们就可以与19世纪的物理学家一起，骄傲地宣布宇宙的能量是不变的，它的任一个部分都不可能被创造或消灭。
那么，我们就有了 物质 和 能量 这两个概念。此二者都遵守守恒定律：一个孤立系统的质量或总能量都是不变的。物质有重量，而能量没有重量。因而，我们有了两个不同的概念和两个守恒定律。这些想法是否仍然需要认真对待？或者根据新的发展情况，这个看似站得住脚的设想改变了吗？它变了！这两个概念的进一步改变与相对论有关。我们稍后会回到这个问题上来。