能量守恆定律（energy conservation law）即熱力學第一定律是指在一個封閉（孤立）
系統的總能量保持不變。其中總能量一般說來已不再只是動能與勢能之和，而是靜止能量（固有能量）、動能、勢能三者的總量 。能量守恆定律可以表述為：一個系統的總能量的改變只能等於傳入或者傳出該系統的能量的多少。總能量為系統的機械能、熱能及除熱能以外的任何內能形式的總和。
如果一個系統處於孤立環境，即不可能有能量或質量傳入或傳出系統。對於此情形，能量守恆定律表述為：
“孤立系統的總能量保持不變。”
能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到其它物體，而能量的總量保持不變。能量守恆定律是自然界普遍的基本定律之一。
“能量轉化和守恆定律”的提出必須建立在三個基礎之上：①對熱的本質的正確認識；②對物質運動的各種形式之間的轉化的發現；③相應的科學思想。到19世紀，這三個條件都具備了。
19世紀中葉發現的能量守恆定律是自然科學中十分重要的定律，它的發現是人類對自然科學規律認識逐步積累到一定程度的必然結果，能量守恆定律是聯繫機械能和熱能的定律。
從18世紀末到19世紀中葉這段時期裡，人類在積累的經驗和大量的生產實踐、科學實驗基礎上建立了熱力學第一定律。在此過程中，德國醫生J.邁爾和英國物理學家J.焦耳作出了重要貢獻，他們各自通過獨立地研究做出了相同的結論。1842年邁爾在《論無機界的力》一文中，曾提出了機械能和熱量的相互轉換原理，並由空氣的定壓比熱容同定容比熱容之差計算出熱功當量的數值。1845年出版的《論有機體的運動和新陳代謝》一書，描述了運動形式轉化的25種情況。焦耳從1840年起做了大量有關
電流熱效應和熱功當量方面的實驗（見焦耳熱功當量實驗）。於1840—1845年間陸續發表了《論伏打電池所生的熱》、《電解時在金屬導體和電池組中放出的熱》、《論磁電的熱效應及熱的機械作用》以及《論由空氣的脹縮所產生的溫度變化》等文章。他通過各種精確的實驗，直接求得了熱功當量的數值，其結果的一致性，給能量守恆和轉換定律奠定了堅實的實驗基礎。除了邁爾和焦耳之外，還有許多科學家也對熱力學第一定律的建立作出過貢獻。如1839年M.塞甘作出了論述熱化學中反應熱同中間過程無關的定律的文章；1843年 L.科耳丁發表了測定熱功當量的實驗結果；1847年H.亥姆霍茲在有心力的假設下，根據力學定律全面論述了機械運動、熱運動以及電磁運動的“力”互相轉換和守恆的規律等等。在這段歷史時期內，各國的科學家所以能獨立地發現能量守恆和轉換定律，是由當時的生產條件所決定的。從18世紀初到18世紀後半葉，蒸汽機的製造、改進和在英國鍊鐵業、紡織業中的廣泛採用，以及對 熱機效率、機器中摩擦生熱問題的研究，大大促進了人們對能量轉換規律的認識.發現經過
1798年，C·倫福特向英國皇家學會提交了由炮筒實驗得出的熱的運動說的實驗報告。1800年，D·戴維用真空中摩擦冰塊使之溶化的實驗支持了倫福特的報告。1801年，T·楊在《論光和色的理論》中，稱光和熱有相同的性質，強調了熱是一種運動。從此，熱的運動說開始逐步取代熱質說。
18世紀與19世紀之交，各種自然現象之間的相互轉化相繼發現：在熱向功的轉化和光的化學效應發現之後，1800年發現了紅外線的熱效應 。電池剛發明，就發現了電流的熱效應和電解現象。1820年，發現電流的磁效應，1831年發現電磁感應現象。1821年發現熱電現象，1834年發現其逆現象，等等。
世紀之交，把自然看成是“活力”的思想是德國“自然哲學”的主要觀點。這種哲學把整個宇宙視為某種根源性的力而引起歷史發展的產物。當時這種哲學思想在德國和西歐一些國家佔支配地位。
最早提出熱功轉換的是卡諾，他認為：“熱無非是一種動力，或者索性是轉換形式的運動。熱是一種運動。對物體的小部分來說，假如發生了動力的消滅，那麼與此同時，必然產生與消滅的動力量嚴格成正比的熱量。相反地，在熱消滅之處，就一定產生動力。因此可以建立這樣的命題：動力的量在
自然界中是不變的，更確切地說，動力的量既不能產生，也不能消滅。” 同時給出了熱功當量的粗略值。卡諾的這一思想在他死後46年，即1878年才被重視。之前的1842年，德國的邁耳最先從“自然哲學”出發，以思辯的方式，由“原因等於結果”的因果鏈演釋出二十五種力的轉化形式。1845年，他還用定壓比熱容與定容比熱容之差：Cp－Cv=R，計算出熱功當量值為1卡=365g·m。
1843年，英國實驗物理學家焦耳進行了更多的工作，測定了更精確的當量值。1850年，發表的結果是：“要產生一磅水（在真空中稱量，其溫度在55°和60°之間）增加華氏1°的
熱量，需要消耗772英磅下落一英尺所表示的機械功。” 焦耳的工作，為“力的守恆”原理奠定了堅實的實驗基礎。德國科學家亥姆霍茲於1847年發表了著作《論力的守恆》。提出了一切自然現象都應該用中心力相互作用的質點的運動來解釋。由此證明了活力與張力之和對中心力守恆的結論。進而討論了熱現象、電現象、化學現象與機械力的關係，並指出把“力的守恆”原理運用到生命機體中去的可能性。由於亥姆霍茲的論述方式很有物理特色，故其影響要比邁耳和焦耳大。
定律的發現者們仍把能量稱作“力”；而且定律的表述也不夠準確，但實質上已發現了能量轉化和守恆定律。將兩種表述比較可以看出：“力的守恆”比“永動機不能造成”要深刻得多。“力的守恆”涉及的是當已認識到的物質的一切運動形式；同時是在一定的
哲學思想指導下（邁耳），在實驗的基礎上（焦耳），用公理化結構（亥姆霍茲）建立的理論。“力的守恆”原理雖然有焦耳的熱功當量和電熱當量的關係式，還有亥姆霍茲推出的各種關係式，但都是各自獨立的，尚未用一個統一的解析式來表述。
能量守恆定律解析表述
對定律進行解析表述，只有對“熱量”、“功”、“能量”和“內能”這些概念準確定義才行。在18世紀，“熱量”慨念是熱質的量。1829年，J·蓬斯萊在研究蒸汽機的過程中，明確定義了功為力和距離之積。而“能量”的概念則是1717年，J·伯努利在論述虛位移時採用。1805年，T·揚把力稱為能量，由此定義了揚氏模量。但其定義一直未被人們接受。有一批有識之士認識到定律的重大意義併為完善定律進行了卓有成效的工作。其中最著名的是英國的W·湯姆孫 和德國的R·克勞修斯。正是他們在前人的基礎上提出了熱力學第一和第二定律，建立了熱力學理論體系的大廈。
1850年，克勞修斯發表了《論熱的動力和能由此推出的關於熱學本身的定律》的論文。指出卡諾定理是正確的，用熱運動說明並加上證明。認為單一的原理即“在一切由熱產生功的情況，有一個和產生功成正比的熱量被消耗掉，反之，通過消耗同樣數量的功也能產生這樣數量的熱。” 加上一個原理即“沒有任何力的消耗或其它變化的情況下，就把任意多的熱量從一個冷體移到熱體，這與熱素的行為相矛盾。”來論證。把熱看成是一種狀態量。
克勞修斯最後得出熱力學第一定律的解析式：
dQ =dU-dW
這時能量轉化和守恆定律與熱力學第二定律的熵的表述一起構成了熱力學理論體系的基礎。
1853年，湯姆孫重新提出了能量的定義：“我們把給定狀態中的物質系統的能量表示為：當它從這個給定狀態無論以什麼方式過渡到任意一個固定的零態時，在系統外所產生的用機械功單位來量度的各種作用之和。” 把態函數U稱為內能。人們開始把牛頓的“力”和表徵物質運動的“能量”區別開來，並廣泛使用。在此基礎上，蘇格蘭的物理學家W·蘭金把“力的守恆”原理改稱為“能量守恆”原理。
1854年起，克勞修斯作了大量工作，努力尋找一種為人們容易接受的證明方法來解釋這條原理。1860年，能量守恆原理被人們普遍承認。
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