Il calore è dovuto all'agitazione delle molecole che compongono un corpo. Quando riscaldiamo una pentola piena d'acqua, il calore della fiamma "scalda" il recipiente d'acciaio, mettendo in agitazione le molecole che lo formano. Poiché l'acciaio è un solido che conduce bene il calore e le cui molecole sono agganciate insieme con legami molto rigidi, l'agitazione delle molecole che lo formano non determina la deformazione del recipiente, ma si trasmette alle molecole dell'acqua in esso contenute, che entrano a loro volta in movimento. L'acqua è un fluido, cioè le molecole che la compongono sono tenute insieme da legami più deboli, per cui la massa d'acqua entra in movimento sotto l'azione del calore, e quando entra in ebollizione le singole molecole cominciano a separarsi le une dalle altre e si disperdono nell'aria come vapore acqueo.

Questa è una spiegazione moderna del calore. Una delle prime teorie sul calore, formulata nel XVIII secolo, fu quella del "calorico", che concepiva il calore come un fluido, che, alla stregua dell'acqua che discende verso valle, scorre da un corpo a temperatura elevata ad uno a temperatura meno elevata. La teoria del "calorico" era in grado di fare alcune previsioni con precisione. Era in grado di prevedere, per esempio, a quale temperatura si raggiunge l'equilibrio termico (cioè la stessa temperatura) tra una massa di rame riscaldata ad una determinata temperatura ed una quantità nota di acqua a temperatura ambiente, contenuta nel recipiente in cui la massa di rame viene immersa. Non era però in grado di spiegare come "dal nulla" sia possibile produrre una gran quantità di "calorico". Lo fece notare, alla fine del XVIII secolo, un fisico statunitense, Benjamin Thompson (poi conte di Rumford), in un articolo in cui descriveva alcuni effetti indotti dal processo di perforazione delle canne dei cannoni. Rumford scrive:
". Trovandomi recentemente impegnato nel dirigere la foratura di cannoni nelle officine dell'arsenale di Monaco, fui sorpreso dal considerevolissimo grado di calore che un cannone d'ottone acquista in breve tempo con la foratura, nonché dall'ancor più intenso calore dei trucioli metallici che il trapano separa dal cannone . Da dove proviene il calore effettivamente prodotto durante la suddetta operazione meccanica?
È fornito dai trucioli separati col trapano dalla massa solida del metallo? ."

Per comprendere la definizione di energia come capacità di produrre lavoro è particolarmente importante lo studio dei meccanismi che permettono il funzionamento dei motori termici, che trasformano il calore in energia meccanica, cioè nel movimento di una macchina.
Il primo studio teorico sui motori termici fu svolto dal fisico francese Nicolas Léonard Sadi Carnot, che pubblicò nel 1824 il risultato dei suoi lavori, in cui cercava di spiegare con una teoria scientifica le modalità del loro funzionamento.
Il ragionamento di Carnot si sviluppò nel contesto dell'idea del "calorico" e attraverso l'analogia con il funzionamento del mulino ad acqua. Nel mulino la ruota compie lavoro perché l'acqua che scorre a valle è in grado di farla girare. A monte e a valle della ruota la quantità d'acqua è la stessa: l'acqua non viene consumata, ma quella a valle non è più in grado di produrre lavoro utile. Carnot, ritenendo che il "calorico" fosse un fluido, pensò che fosse in grado di produrre lavoro scorrendo nel motore da un livello di temperatura più alto a un livello di temperatura più basso, e che alla fine il calorico fosse sempre lì, come l'acqua a valle della ruota, ma non più utilizzabile per produrre lavoro.
Il ragionamento di Carnot è molto pratico: non è possibile ottenere qualcosa senza dare in cambio qualcos'altro. Carnot dimostrò che il rendimento di un motore termico è tanto maggiore quanto più è grande la differenza tra le temperature delle due sorgenti di calore: la temperatura maggiore è quella generata dal combustibile bruciato, mentre è minore la temperatura dell'ambiente: che sia aria o acqua.