在区分了温度和热量的概念之后，我们进一步还是要问，温度的本质是什么？热量的本质又是什么？
自古以来对热的本质的看法大体上可归纳为两类：热质说和热动说 。热质说认为热是一种特殊的物质，称为“热质”，是由没有重量的微粒组成（跟“光子”一样），可以从一个物体流向另一个物体，其数量是守恒的；热动说则认为热是组成物质的原子运动的表现，今天我们知道热动说是更加正确的（我之所以说更加正确，而不说热质说是错误的，因为科学发展到今天给我们的教训就是，永远要保持谦虚和可能被推翻的态度，所有的理论都只是在目前看来是正确和好用的，并不代表我们就已经掌握了真理） 。在18世纪之前，牛顿、胡克、培根、笛卡尔主张热动说，伽利略则倾向热质说 。由于布莱克在量热学方面的成就加强了人们关于“热量守恒”的信念，从1780年代开始，几乎整个欧洲都相信了热质说 。
历史的转折点，伦福德伯爵为“热动说”提供了有力佐证
然而，热质说很快就受到了挑战 。英国的伦福德伯爵在1797年到慕尼黑兵工厂监制大炮膛孔工作，1798年1月25日在英国皇家学会作报告说：“我发现，铜炮在钻了很短一段时间后，就会产生大量的热；而被钻头从大炮上刮削下来的铜屑更热（像我用实验所证实的，发现它们比沸水还要热） 。”
在今天从热动说的观点看，这是由于机械运动（摩擦）的能量转换到了铜原子的振动能量，也就是“热” 。布莱克发现潜热以后，主张热质说的人对摩擦生热现象是这样辩解的：在摩擦的过程中物体的比热减小，且从物体内部挤压出来的潜热溢于表面 。伦福德继续做的大量实验使人相信，只要摩擦长时间地持续下去，便可愈来愈多、甚至于无限多地产生出热量来 。这一点是热质说怎样也无法解释的 。戴维做了两块冰的摩擦实验，实验中冰在摩擦中慢慢融化为水，然后温度上升 。在此过程中“热质”不可能从外边跑进去，冰融化时吸收潜热，而不是潜热从冰里被挤出来 。
伦福德伯爵的大炮钻孔实验装置
尽管伦福德和戴维的实验和提出的论据如此充分，他们的观点并没有被广泛接受 。与此同时，热学理论在“热质说”这个躯壳内继续发展着其积极的一面：1818年前后，拉普拉斯和泊松用微积分为热质说建立起一套精致的数学分析表述，并由此得到声速公式，日后为克劳修斯所借鉴，成为现今热力学里的标准数学表述；此外，1824年卡诺用热质说的观点论证了著名的卡诺定理，尽管他对热质说是有怀疑的，且想接受热动说 。当时人们对物质微观结构的细节还很不清楚，卡诺不明白，在他的热机的活塞和汽缸这类固体物质中，原子是否接触在一起 。若是接触，为什么它们的热振动不因摩擦而衰减？若不接触，它们是怎样固结在一起的？
可见，人们不能立即接受热动说，是因为在当时科学发展的阶段里时机尚不成熟 。而伦福德和戴维的科学观点则远远超前于他们同时代人，成为发现能量守恒定律的先驱 。
焦耳的热功当量实验（桨叶搅拌）
真正建立能量守恒定律、彻底击溃热质说、使热动说确立在坚实的实验基础之上的科学家是大名鼎鼎的焦耳 。焦耳的工作起始于电流的热效应，在1841年发表了初中大家都学过的电学中的焦耳定律 。但焦耳最为重要的工作是在1840-1849年通过磁电机实验、桨叶搅拌实验等等原理不同的实验不下400余次，精确测量了热功当量——多少机械功能使1g纯水升高1℃，所有实验均指向同一个数值：4.154焦耳 。这说明热的本质与机械功是相同的，热是一种能量 。1850年，克劳修斯发表《关于我们称为热的这种运动》，把焦耳的实验总结成了热力学第一定律，又基于热动说重述了卡诺定理，总结为了热力学第二定律（克劳修斯表述，也就是本文开始的那段话） 。现代热力学从此真正建立了 。
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