对能量转化与守恒定律做出明确叙述的主要有三位科学家：德国的罗伯特•迈尔（Robert Mayer）、亥姆霍兹和英国的焦耳。
迈尔是一位医生，他起初是从人体的能量代谢开始对能量的转化与守恒现象发生兴趣的。之后他对热力学做了深入的研究，先后在1842年和1845年发表了两篇论文，证明能量的守恒性。他的第一篇论文的论证并不严谨。在第二篇论文《有机运动及其与新陈代谢的联系》中，他具体地论述了热和功的联系，推出了气体定压比热和定容比热之差Cp-Cv等于定压膨胀功R，即Cp-Cv=R，后人称之为迈尔公式。在这篇论文中，迈尔将热力学观点用于研究有机界中的现象，他考察了生命活动过程中的物理化学变化，指出“生命力”理论是荒诞无稽的。1848年迈尔发表了《天体力学》一书，书中解释了陨石在天空中的发光是由它下落中的动能转化而来的，他还应用能量守恒原理解释了潮汐的涨落。
迈尔第一个完整地提出了能量转化与守恒原理，但是他的著作在发表后的几年内不仅没有受到重视，反而受到了人们的批评和嘲弄，再加上两个孩子相继夭折，使得他在精神上受到很大的刺激，结果跳楼致残，之后曾一度被关进精神病院。好在他在晚年终于看到了自己的成果得到承认，1871年，英国皇家学会授予他科普利奖（科普利奖是1731年以英国皇家学会的高级会员科普利爵士的遗赠设立的、由英国皇家学会颁发的、世界上最悠久的科学大奖，比诺贝尔奖早170年。起初奖金为100英镑，还算可观，现在不过几千英镑。如果得过诺贝尔奖的话，只授予100英镑奖金）。

亥姆霍兹（Helmholtz，又译赫尔姆霍茨）曾在德国著名生理学家缪勒（Müller）的实验室里工作过多年，研究过“动物热”，深信所有的生命现象一定服从物理与化学规律。亥姆霍兹年轻时就有“自然界大统一”这样一个信念，他认为如果自然界的“力”（即能量）是守恒的，则所有的“力”都应和机械“力”具有相同的量纲，并且可还原为机械“力”。1847年，26岁的亥姆霍兹在柏林物理学会议上宣读自己的著名论文《力的守恒》，充分论述了这一观点。历史证明，这篇论文在热力学的发展中占有特别重要的地位，因为亥姆霍兹在这里总结了许多人的工作，一举把能量概念从机械运动推广到了所有的变化过程，并证明了普遍的能量守恒原理，从而人们可以更深入地理解自然界的统一性。遗憾的是，由于这篇论文被认为是思辨性的、缺乏实验成果，当时有国际声望的《物理学年鉴》拒绝它在上面发表。

实验验证这一定律的工作已经有人在做了，这个人就是詹姆斯•焦耳（James Joule）。焦耳跟革命导师马克思同岁，1818年出生于英国曼彻斯特，父亲是一个富有的酿酒厂主。焦耳从小跟着酿酒师父亲学习酿酒，没有上过什么正规的学校，曾经在一个家庭学校里学习过。1834年，16岁的詹姆斯•焦耳和他的哥哥本杰明被送到曼彻斯特文学与哲学学会的道尔顿的门下学习（很难想象现在的教授会收两个没上过什么正规学校的小屁孩做自己的学生，不过，当年这位大化学家的经济状况也确实不大好）。焦耳兄弟俩跟随道尔顿学习了两年算术和几何，后来道尔顿因中风而退休。跟随道尔顿的这段经历影响了焦耳的一生。大师的指导对他的成长起了关键的作用，使他对科学研究发生了浓厚的兴趣，并学到了他理论与实践相结合的科学研究方法。之后焦耳进入曼彻斯特大学就读。毕业后开始参加经营自家的啤酒厂，直到1854年卖出啤酒厂之前，他在经营上都一直很活跃。科学开始只是焦耳的一个爱好，后来他曾研究用新发明的电动机来替换啤酒厂的蒸汽机的可行性。
在1831年法拉第发现电磁感应定律之后，从英国开始，掀起了一场席卷欧洲和北美的电气热潮。1838年，20岁的焦耳也投入到了这场电气热潮之中，开始研究起磁电机来。在实验过程中他注意到电机和电路中的发热现象，他认为这和机械运动中的摩擦现象一样，都会造成动力的损失，于是他就开始进行电流的热效应研究。
1841年，23岁的焦耳在《哲学杂志》上发表了论文《电的金属导体产生的热和电解时电池组放出的热》，文中介绍了他的实验。他把缠在玻璃管上的导电线圈放入盛水的容器中，通电后测量水的温度变化。实验中他使用不同的导线、改变电流强度，得到多组实验数据。通过计算最后他得出结论：“在一定时间内伏打电流通过金属导体产生的热与电流强度的平方及导体电阻的乘积成正比。”这就是著名的焦耳定律，又称I2 R定律。

焦耳认为，电可以看成是携带、安排和转变化学热的一种重要媒介，在电池中“燃烧”的一定的化学“燃料”，在电路（包括电池本身）中就会发出相应大小的热，和这些燃料在氧气中燃烧所得的热应该是一样多。
在研究了化学能向电能和热能的转化之后，焦耳又开始研究机械能与电能和热能之间的转化，并进行了大量的热功当量实验。焦耳在磁电机线圈的转轴上绕两条细线，在相距约27.4米处安装两个定滑轮，细线跨过滑轮挂有砝码，砝码的重量可以调整，线圈浸在量热器的水中。根据水的温度变化可以计算出热量，根据砝码的重量及下落的距离可以计算出机械功。焦耳记录下13组实验数据，取其平均值得出如下结果：“能使1磅的水升温华氏一度的热量等于把838磅重物提升一英尺的机械功。”从这个结果可以得出热功当量为4.511焦耳/卡，现代的公认值为4.187焦耳/卡。
1843年焦耳发表了关于这些实验的论文《磁电的热效应和热的机械值》。焦耳在论文中还特别指出了测定热功当量的实际意义：（1）可用于研究蒸汽机的出力；（2）可用于研究磁电机作为经济的动力的可行性。
不久，焦耳又用多孔塞置于水的通道中，测量水通过多孔塞之后的升温，得到热功当量为772磅•英尺/英热单位（即4.145焦耳/卡），与现代的公认值相比，误差仅有百分之一。
焦耳并没有就此罢手，他从1843年采用磁电机开始测量当量，直至1878年最后一次发表实验结果，共做了400多次实验，分别以固体、流体、气体多种物质为对象，运用了不同原理的各种方法，涉及机械力学、电磁学、化学、热力学、流体力学等各个领域，以日益精确的数据，为热和功的相当性提供了详实可靠的证据，使能量转化与守恒定律的确立具备了牢固的实验基础。而他本人则从25岁的小伙变成了花甲老人。


詹姆斯•焦耳