19世纪初，蒸汽机在生产中起着越来越大的作用。但是，将热转变为机械运动的理论研究一直未形成，工程师们如瓦特主要凭经验摸索并改进机器。第一次从理论上说明热机运行过程、建立热力学原理的是法国工程师卡诺。
卡诺生于名门世家。其父在法国大革命以及拿破仑时期是政界要人，也是一位著名的数学家。老卡诺曾任政府陆军部长，成功地组织了对欧洲列强来犯的抗击，被誉为“胜利的组织者”。卡诺的弟弟也是一位著名的政治家，其侄儿后来成了法兰西第三共和国的总统。卡诺本人毕业于巴黎综合技术学校，受过良好的数学教育和工程技术训练。1814年，他成了一位军事工程师。1828年，由于拿破仑的倒台，卡诺的父亲被流放，他本人也被迫退役。
1824年，卡诺出版了生前发表的唯一一本著作《关于火的动力的思考》。在这本书中，卡诺提出了他的理想热机理论，奠定了热力学的理论基础。当时生产技术中出现的比较紧迫的问题，主要是如何提高蒸汽机的热效率。当时所有的热机效率都非常低，大量的热能被白白浪费。卡诺想从理论上知道热机究竟能有多大的效率。他构造了一台理想热机，即由一个高温热源和低温热源组成、以实现理想循环工作的热机。他认为，所有的热机之所以能做功，就是因为热由高温流向了低温热源。他证明了，理想热机的热效率将是所有热机中热效率最高的。他还证明了，理想热机的热效率与高低温热源之差成正比，而与循环过程中的温度变化无关。
卡诺的结论虽然都是正确的，但他借以论证的思想基础却是热质说。他认为，热机在两个热源之间做功，就相当于水由高处落下做功一样。“我们可以恰当地把热的动力与一个瀑布的动力相比。瀑布的动力依赖于它的高度和水量；热的动力依赖于所用的热质的量和我们可以称之为热质的下落高度，即交换热质的物体之间的温差。”由于信奉热质守恒原理，卡诺相信热机工作过程中热量并没有损失，这当然是错误的。
卡诺后来意识到将热机与水车类比是不确切的。从1830年起，卡诺实际上已经抛弃了热质说而转向热之唯动说，并且得出了能量守恒原理。他在笔记中写道：“热不是别的什么东西，而是动力（能量），或者可以说，它是改变了形态的运动，它是一种运动……在自然界中存在的动力，在量上是不变的。准确地说，它既不会创生也不会消灭；实际上，它只改变它的形式。”他还在手稿中计算了热功当量。但是由于突然染上霍乱，卡诺于1832年去世，其手稿和笔记直到1878年才由他的弟弟发现并发表。
卡诺的早期工作并未引起注意，是法国另一位工程师克拉佩龙在此基础上的继续努力，才使学界关注热力学的这一重大发展。
