W języku potocznym ciepło jest pojęciem wieloznacznym. W fizyce przez ciepło rozumie się formę przekazywania energii (bez udziału pracy i promieniowania). Miarą tak przekazywanej energii jest ilość ciepła.

Przez długie wieki człowiek nie odczuwał potrzeby ilościowego ujęcia wrażeń ciepła i zimna. Potrzebę tę zrodziły dopiero próby naukowego potraktowania zjawisk cieplnych. Trudności powstały już przy budowie termometrów, tzn. przyrządów do ilościowego wyznaczania temperatury. Pokonał je na początku XVIII w. gdańszczanin z pochodzenia, D.G. Fahrenheit. Sukces ten uważa się za początek nauki o cieple. W początkowym okresie jej rozwoju uważano, że miarą ilości ciepła, jakie ciała sobie przekazują, jest po prostu zmiana ich temperatury. Znaleziono nawet wzory, które pozwalały określić np. temperaturę mieszaniny powstałej w wyniku dolania   wody   o   niskiej   temperaturze do wody o wyższej temperaturze kalorymetr). Wzory tego rodzaju nie stosowały się jednak do mieszaniny wody z lodem; temperatura mieszaniny po stopieniu lodu była dużo niższa, niż to wynikało ze wzorów. Podobne odstępstwa obserwowano w przypadku wody, do której wrzucano kawałki ciał stałych (np. kulki metalowe).

Szczególnie dokładne i systematyczne badania takich odstępstw prowadził w latach sześćdziesiątych XVIII w. J. Black. Doszedł on do wniosku, że ilość ciepła i temperatura to dwa jakościowo różne pojęcia, których nie można uważać za równoważne (podobną myśl wygłosił w 1755 J.H. Lambert). Black zauważył, że ciepło dostarczone topniejącemu lodowi nie przejawia się we wzroście jego temperatury. Tak odkrył ciepło topnienia i w podobny sposób — ciepło parowania wody. Pomiary Blacka wskazywały ponadto, że ogrzewanie różnych ciał w tych samych warunkach powoduje różny przyrost ich temperatury; na tej podstawie wprowadził on pojęcie ciepła właściwego. (Pojęcie ciepła topnienia i ciepła właściwego wprowadził niezależnie od Blacka  J.C.Wilcke).  Black  wprowadził  także pierwszą jednostkę miary ilości ciepła  kalorię. Prace Blacka dały początek drugiemu, po termometrii, działowi nauki o cieple kalorymetrii.

Wynalazki termometru i kalorymetru oraz wprowadzenie odpowiednich pojęć umożliwiły podjęcie ilościowych badań nad zjawiskami cieplnymi. W związku z tym coraz natarczywiej domagano się odpowiedzi pytanie: jaka jest fizyczna natura ciepła ? W XVIII w. panował powszechnie pogląd, że ciepło to specjalna nieważka i niezniszczalna substancja, zwana cieplikiem — koncepcja ta wywodzi się jeszcze od Arystotelesa (IV w. p.n.e.). Wybitny chemik A.L. Lavoisier zaliczał cieplik do pierwiastków chemicznych. Przekazywanie energii w formie ciepła tłumaczono jako przepływ cieplika od ciała gorącego do ciała chłodnego. Teoria cieplika miała jednak licznych przeciwników (w starożytności Demokryt i atomiści, w XVII i XVIII w. m.in. F. Bacon, Ch. Huygens, I. Newton, D. Bernoulli, M.W. Łomonosow). Pierwsze doświadczenie z dziedziny ciepła przeprowadzili przeciwnicy koncepcji cieplika, jednakże dopiero pod koniec XVIII w. W 1798 Rumford  B. Thompson zbadał ilościowo efekty nagrzewania się lufy armatniej wskutek wiercenia w niej otworu; w roku następnym H. Davy stopił kawałek lodu, trąc nim o drugi kawałek lodu. Doświadczenia te wskazywały, że zjawiska cieplne mogą zachodzić nie tylko w wyniku ogrzewania ciała, ale także w wyniku wykonywania nad nim pracy. Stanowiły więc z jednej strony doświadczalny dowód przeciwko teorii cieplika, z drugiej zaś przemawiały za wcześniejszym przypuszczeniem zwolenników koncepcji atomistycznej budowy materii, że ciepło musi się w jakiś sposób wiązać z ruchem, a zatem musi istnieć jakaś współzależność między ilością ciepła a pracą.

Po raz pierwszy hipotezę, że ciepło i praca to jak byśmy dziś powiedzieli  w pełni równoprawne formy przekazywania energii (tzw. równoważność pracy i ciepła), wygłosił w 1841 J.R. Mayer, podając przybliżoną wartość mechanicznego równoważnika ciepła, tzn. ilości pracy, jaką trzeba wykonać nad układem, aby uzyskać taki sam efekt cieplny jak w wyniku dostarczenia układowi jednostkowej ilości ciepła. Ostateczne rozstrzygnięcie tego zagadnienia przyniosły nieco później doświadczenia J. P. Jou1e'a. Idea tych doświadczeń była bardzo prosta. Opuszczające się ciężarki wprawiały mieszadło w ruch obrotowy. Wskutek tarcia praca tych ciężarków ulegała zamianie na ciepło, co przejawiało się we wzroście temperatury cieczy w kalorymetrze. W ten sposób Joule zmierzył mechaniczny równoważnik ciepła; nie znał on prawdopodobnie prac Mayera dotyczących tego zagadnienia, gdyż  z wyjątkiem jednej niewielkiej rozprawy  były one opublikowane kilka lat później. Wykazanie równoważności ciepła i pracy miało podstawowe znaczenie dla dalszego rozwoju nauki o cieple oraz badań nad atomistyczną budową materii, która w efekcie przyniosła rozstrzygnięcie zagadnienia natury ciepła.

Zgodnie ze współczesnymi poglądami, każde ciało składa się z atomów, jonów i elektronów lub cząsteczek, które znajdują się w nieustannym i chaotycznym ruchu, zwanym ruchem cieplnym (termicznym). Miarą intensywności tego ruchu jest średnia energia kinetyczna atomów, do której jest proporcjonalna temperatura bezwzględna danego ciała. Ilość ciepła przekazywana przez jedno ciało drugiemu ma więc sens energii kinetycznej ruchu cieplnego przekazywanej przez atomy jednego ciała — atomom drugiego ciała; ogrzewanie ciała oznacza zatem zwiększanie, ochładzanie natomiast oznacza zmniejszanie intensywności ruchu cieplnego atomów ciała.