自从18世纪末19世纪初，兰福特·迈亚和焦耳等人发现能量转换和守恒定律之后，人类开始致力于实现用热能转化成机械能来代替人力和畜力的历史性转变。在漫长的探索过程中，最终完成这一能源动力应用史上的划时代转变的是以巴本和瓦特为代表的一代科学家。
§§§第1节空心气球
据历史记载，公元1世纪左右，希腊的发明家赫伦制作过一种用蒸汽推动的“空心汽动圆球”，这种装置可以称得上是最早使热能转变成机械能的“蒸汽机”。
赫伦制作的空心汽动圆球的结构不复杂，他把一根轴穿在空心圆球中，架在一个支架上，使空心球能自由旋转。在球的两级位置装有端部弯曲的细管，再在球内装满水，然后就可以在球的下方烧火，使球内的水加热变成蒸汽。蒸汽从球两极上的弯管喷出后，其反作用力就使圆球旋转。
这种汽动空心圆球作为玩具，可以说设计得很巧妙，但无法作为动力来使用。大概当时还没有用蒸汽力来获得机械能，并用机械能来作动力的这种设想和社会要求，所以在赫伦制造空心汽动圆球后的很长一段时期，没有出现过利用蒸汽动力的研究。
直到17世纪，随着工业逐渐发展，人力和畜力已经不能满足生产的发展了，于是才开始出现了研究蒸汽动力的新纪元。
1663年，英国乌斯塔地区有一位叫撒马泽特的庄园主发明了一种利用蒸汽作动力的抽水装置，并获得了英国专利。他的这项发明是利用蒸汽在变成水时体积会缩小的原理，使装置内出现真空而抽水的，装置内既无气缸也无活塞，完全靠大气的压力和真空之间的压差抽吸水，所以力量很小，抽水效率低，还经常发生蒸汽压力过大时引起的爆炸事故，加上烧蒸汽时燃料的消耗很大。所以这种产品虽然获得专利，终因“声名狼藉”而“销声匿迹”。
§§§第2节巴本独辟蹊径
撒马泽特的蒸汽抽水机虽然由于“毛病”太多而失宠，但17世纪的欧洲，许多国家的各种工业规模越来越大，如采矿业中，挖的矿井越来越深，地下水不断往外冒，这样，不仅搬运矿石需要的人力越来越多，排除地下水所需的人力畜力也越来越多。经常要用几十匹骡马或牛配上几十名工人，昼夜不停地用吊斗把地下水拉上来。因此，用蒸汽代替畜力和人力去把地下水抽出来的设想愈来愈吸引人。从事蒸汽机研究的人也越来越多。
这一时期，法国的巴本（1647～1712年）也迷上了蒸汽。他本是一个医生。一次他为了使骨头快点煮烂，自制了一个高压锅。为了安全起见，他又在锅盖上装了一个安全阀，锅内压力一大，蒸汽就推动安全阀喷出来（和我们现代用的煮饭高压锅的原理一样），巴本看到自己“杰作”十分得意，对蒸汽的研究更入迷了。
1690年，巴本经过多次实验，制造了一个有活塞的圆筒，在圆筒内放上水，然后把水烧开，产生蒸汽，蒸汽就把活塞推上去。等活塞推到圆筒顶上时，再撤掉烧水的火，等圆筒里的蒸汽冷下来后，压力就降低了，于是靠大气的压力又把活塞压下来。活塞这样一上一下，带动井架上的绳子和滑车，把一桶水提上来。
巴本的这台最原始的蒸汽机缺点很多，最要命的是要一会儿烧火，一会儿停火，提一桶地下水要等老半天，效率仍然太低。但不管怎样，巴本的蒸汽机为后来的蒸汽机奠定了基础，所以他的功劳是不可磨灭的。
§§§第3节赛维利和纽科门锦上添花
1698年，英国人赛维利觉得巴本的蒸汽机操作起来的确烦人。他认为巴本的设计不合理，尤其是那个圆筒既是锅炉，又是冷凝器，还兼烧缸。所以不得不一会儿烧火一会儿停火。赛维利为了克服这个缺点，决定把兼锅炉、汽缸冷凝器于一身的那个圆筒改造一下，在中间安上一个阀门，打开阀门时，蒸汽就可以充满汽缸推动活塞向上。关上阀门，就能停止供给蒸汽，再用一个水龙头在汽缸上浇冷水使蒸汽冷凝成水，汽缸内压力小了，活塞又被大气压力推下来，一上一下就可以把地下水提上来。
赛维利的蒸汽机的优点是再也不用烧烧停停了。但是仍有很大缺点，就是费煤又费汽，而且还要有专门开闭蒸汽阀和冷却水阀门的工人，也很不方便。
1712年，巴本和赛维利的蒸汽机经过多年的应用都显露出各自的优缺点。这时一位叫纽科门的英国人后来居上，这位出身于锻工的工人颇有些才气，他吸取了巴本和赛维利的蒸汽机的长处，制造出一种新型的蒸汽机。纽科门的蒸汽机也有汽缸，但锅炉和汽缸是分别装在另外的地方，比赛维利的蒸汽机好用得多。因此当时大约有100来个英国矿井用它来抽取矿山坑道中的水。蒸汽机终于代替人力和畜力工作了。它可以抽汲46米深处的地下水，但一分钟只能工作约一次，效率仍低，而且消耗的煤炭也令人咋舌。当时一个矿井每天要用50来匹马来运送蒸汽机烧的煤炭，马匹吃的饲料几乎“吃掉”了矿山老板赚得的钱的很大一部分。
§§§第4节蒸汽动力时代
18世纪初，可以说是蒸汽动力代替人力和畜力初见成效的时期，但这时的蒸汽机的应用范围仍然很局限，因为不论是赛维利的蒸汽机还是纽科门的蒸汽机都有许多不足的地方。
把蒸汽动力迅速扩大应用到工农业的广阔领域的是英国的著名发明家瓦特（1736～1819年），瓦特是英国港口城镇哥利诺克一名造船工人的儿子，从年轻时就喜爱摆弄机械，后来到格拉斯哥大学，又迷上了机械制作和修理，而且技术高超，在学校里就很有名气，他本人与大学里的老师关系很密切，经常和老师们交谈各种机械问题，当然也免不了谈到蒸汽机。从此之后，瓦特对蒸汽机就特别着迷。
恰好这时格拉斯哥大学的一位叫安德森的教授有一台纽科门蒸汽机“闹情绪不给主人干活”。安德森知道瓦特对修理蒸汽机“有一手”，就委托他来修理这台蒸汽机。这是1763年的事情。
在修理中，瓦特发现纽科门蒸汽机有许多缺点。这年5月，瓦特产生了改进纽科门蒸汽机的念头，并决定彻底改变其中汽缸的设计，使汽缸中的热蒸汽在向上推动活塞时，立即将它引到另一个小室进行冷却，这样，同一个汽缸就不需要承担既加热又加冷的双重任务，而是始终保持在加热状态，从而大大节省了时间和煤炭消耗。他把蒸汽引向另外的小室进行冷却的装置叫冷凝器。然后，瓦特又改进了冷缸的结构，把原来是敞开口的汽缸端部封住，只留下能让活塞杆来回往复运动的一个汽缸孔，这样，就能完全利用蒸汽的压力代替大气压力推下活塞，大大增强了活塞的提升力。
当时的蒸汽机只用来带动排水泵和送风机，主要是供矿井使用。瓦特认为蒸汽机完全可以派做其他用途。比如，他认为蒸汽动力应该用来驱动纺织机，以解放人工劳动和增加生产效率。但当时所有的蒸汽机都是只有活塞抬起时才做功，这对汲水机械虽然很有利，但对纺织机械，这种有时做功有时不做功的机械就不适用。瓦特经过深思熟虑，巧妙地利用曲柄装置向活塞的两端输送高压蒸汽，使活塞在抬起或压下时都能做功。这种新式的蒸汽机不久就在纺织业中得到广泛应用。随后，这种蒸汽机就成了普遍适用于各种工业生产机械的万能发动机，并于1783年获得了专利。
真正的蒸汽机时代从此开始了，到1784年，瓦特蒸汽机的动力可以达到15马力的功率，比人力和畜力大得多。不久又增加到20～80马力。1800年以后，工业革命在英国全面展开，法国、德国、美国等也随后开始了工业革命。从此，瓦特蒸汽机得到愈来愈广泛的应用。如1807年，美国人富尔敦在船上装上瓦特蒸汽机，发明了火轮船。1814年，英国工人乔治·斯蒂文森把瓦特蒸汽机装在车上，发明了火车。
在瓦特蒸汽机发明之后的100多年中，蒸汽机取得了飞跃的发展。但在19世纪末，还没有出现过数千马力的大型蒸汽机。因为蒸汽机都靠烧煤产生蒸汽，推动活塞，在这个过程中热量的损失仍比较严重，蒸汽动力不能完全利用。到19世纪末又发明了蒸汽活轮机，热力利用率有了较大提高。但这时电力工业也开始兴起。
