8世纪，瓦特发明了蒸汽机，人类找到了把热能转变为机械能的具体方法。蒸汽机的问世使人类进入了工业社会，生产力得到快速发展。

但当时蒸汽机的效率非常低，一般只能达到5%左右。于是，改进蒸汽机，提高其热效率，就成为许多科学家和工程师毕生追求的目标。法国工程师卡诺就是其中杰出代表。他认为，要想改进热机，只有从理论上找出依据。 卡诺从热力学理论的高度着手研究热机效率，设计了两条等温线，两条绝热线构成的卡诺循环（如右图所示）：第一阶段，温度为的等温膨胀过程，系统从高温热源吸收热量；第二阶段，绝热膨胀过程，系统温度从 降到；第三阶段，温度为的等温压缩过程，系统把热量释放给低温热源 ；第四阶段，绝热压缩过程，系统温度从升高到。他研究的结论，就是人们总结的卡诺定理，其核心内容是：在相同高温热源与相同低温热源之间工作的一切可逆卡诺热机（在实现热的动力过程中，不存在任何不是由于体积变化而引起的温度变化的热机），不论用什么工作物质，效率η均为

而在相同高温热源 与相同低温热源 之间工作的一切不可逆卡诺热机的效率总小于可逆卡诺热机的效率


卡诺从理论上论证了热机存在极限和可逆卡诺热机的效率最大，这为改进蒸汽机做出了重大的理论突破，同时为热力学的进一步发展奠定了坚实的基础。

卡诺在研究热机效率时，已经触及到一条反映状态转化方向的自然规律。但遗憾的是，卡诺认为：单独提供热不足以给出推动力，只有热从高温传向低温的过程，才可能产生推动力。从高温向低温发生的是"“热质降落”，要让它再完成相反的过程，是不可能的。由于“热质说”这个错误理论，阻碍了卡诺完全解决这个问题，使卡诺失去了揭示热力学第二定律的机遇。