Открытие закона сохранения и превращения энергии явилось одним из величайших достижений науки XIX века. Его открытие непосредственно связано с предыдущем развитием всех областей физики и естествознания. Независимо друг от друга почти одновременно к установлению закона сохранения и превращения энергии пришли Юлиус Роберт Майер (1814–1878), Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) и Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821–1894).
Майер пришел к идее превращения и сохранения энергии в 1841 г. Журнал «Annalen der Physik» публикует первую его научную статью «О количественном и качественном определении сил», в которой он пишет «Движение, теплота и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к одной силе [энергии], которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам».
К сожалению, эта работа, как и вторая его работа «Замечания о силах неживой природы» (1842) не привлекли внимания ученых. Интерес к данной проблеме у физиков появился только после публикации работ Джоуля и Гельмгольца.
В 1842 г. под влиянием работ Майкла Фарадея (1791–1867) Джоуль исследует тепловые эффекты электрического тока (закон Джоуля-Ленца). В 1843 г. он определяет механический эквивалент теплоты (4,5 Дж/кал), впоследствии он усовершенствует свои опыты и будет проводить их вплоть до 1878 г.
Расчеты Майера и опыты Джоуля позволили сформулировать принцип эквивалентности между теплой и работой: во всех случаях, когда из теплоты появляется работа, тратится количество тепла, равное полученной работе, и наоборот, при затрате работы получается то же количество тепла. Этот вывод получил название первого начала термодинамики.
Если в работах Майера для установления закона сохранения и превращения энергии большую роль сыграло общефилософское убеждение во взаимосвязи сил природы, для Джоуля его эксперименты, то немецкий ученый Гельмгольц в своих работах, в частности «О сохранении силы» (1847), проанализировал закономерности превращения энергии с точки зрения физической теории. Гельмгольц сумел связать воедино результаты всех многих исследований, относящихся к разным областям физики.