与此同时，凯库勒的结构式有助于解释这些复杂的有机化合物的内部构造，它们中的某些具有双键和三键构造，凯库勒就用两重波折号和三重波折号表示。异构体具有同样的原子和同样的比例，但联结方式不同。例如，普通乙醇可以用图1表示，而具有相同数目氢、碳和氧原子的二甲醚则可以用图2表示。
图1普通乙醇的结构图2二甲醚的结构
1858年凯库勒指出，碳原子相互间可以直接连接（不像大多数其他原子），形成复杂的长链。他解释说，因为碳原子是四价的，它正好可以与四个其他原子化合。他还搞清楚，通过研究反应产物，可以确定一个有机分子的分子结构。
1861年，凯库勒出版了《有机化学》教科书的第一卷。在书中，他用简单明了的作法终止了长期以来纠缠不清的争论。他定义有机分子为含碳分子，无机分子为不含碳分子，根本不涉及它是否有生命或曾经有生命。这对有机分子含有某种莫名的、不可定义的“活力”论观念是一种沉重打击，并为审视有机化学领域提供了有用的新方法。
抓住环状
有机化学还有一个问题没有解决。没有人能够解释苯（C6H6）的结构，这是1825年法拉第发现的煤焦油产物。当然，即使不知道苯的结构，珀金（William Perkin，1838—1907）和其他致力于染料合成的研究者仍然作出了进展。但是，没有人能够解释这些原子为什么能够互相结合在一起，正像普通分子的结合方式一样。
1865年的一天，凯库勒梦见了环的结构，他后来这样写道：
“我正坐着，在写我的教科书，但工作没有进展，我理不出个头绪。我转过椅子朝向炉火，开始打起瞌睡。原子又一次在我的眼前跳跃。这一次背景上出现的是大量更小的组合。我那心灵的眼睛由于反复观看这类东西，现在可以分辨更大、更复杂的结构：长长地排成一列，有时挤在一起，缠绕和扭曲成蛇形运动。看！那是什么？有一条蛇咬住了自己的尾巴，在我眼前快速旋转。仿佛是被一阵灵感惊醒，就在这个晚上，我形成了这一假说。”
凯库勒发现的正是我们今天所谓的苯环，一种由碳和氢组成的分子结构，它不是敞开的链条，而是封闭的六角形，单键和双键交替快速转换。
凯库勒的苯环荷兰化学家范托夫（Jacobus Van"t Hoff，1852—1911），把凯库勒的许多结构性想法转变成三维模型，从而可以澄清许多有机化学概念，其中包括比奥和巴斯德研究的异构体之谜。凯库勒的结构见解使有机化学走出世纪之初那种难以置信的混乱，尽管从那以后，又有许多理论上的改进，但是他的思想仍然指引着化学家的合成研究，并且提供一个模型，使有机分子更为形象化，从而对化学反应作出预言。
对于化学来说，19世纪是丰产的年代。有两个重要的新工具——电学和光谱学，使化学家获得了新方法来处理和观察物质，从而使这门学科大大改观，其情形就如同望远镜用在天文学和显微镜用在生物学一样。已知的元素数目几乎翻了一番。门捷列夫的周期表使这些元素各归其类，并且为未来在19世纪和20世纪之交以及20世纪初化学和物理学的大突破提供必要的基础。有机化学的诞生给应用化学打开了巨大工业潜力，其中包括新染料和新材料的发明。
最重要的是，原子论的诞生（或者宁可说是再生），使得道尔顿、阿伏伽德罗以及他们的追随者不仅认识到气体的特性，还开始把握了化学的规律——物质是怎样进行化学反应，又是怎样相互结合的。
当然，在道尔顿提出原子论之前，或者甚至到19世纪末，并不是每个人都能认同原子论。具有高度影响的物理学家马赫（Ernst Mach，1838—1916）直到去世时还在反对原子论。他说，观察到两份氢气跟一份氧气结合形成了水蒸气是一回事；假设两个看不见的氢原子跟一个看不见的氧原子结合形成一个也看不见的水分子，则完全是另一回事。但是大多数科学家还是承认，原子论至少提供了一个极好的模型，通过以符号代表原子和它们之间的相互作用，可以使讨论变得更清晰。
原子论还打开了通向这个世纪一个伟大的关键性发现的道路：对热的本质和热力学的理解——几个世纪以来这个领域一直笼罩在神秘的乌云下面。
不灭的能量
蒸汽和电，这是两股伟大的力量，推动了19世纪的车轮，振奋了19世纪的人心。就从19世纪开始，所有工业都受到瓦特的蒸汽机的影响，它还激发了人们对能量的理论研究。到了19世纪中叶，运输也得到了改造，英国所有主要港口都已由蒸汽铁路连接起来，北美大陆十字交叉的铁路网有近30000英里的铁轨。到了19世纪末，电已经开始照亮世界，并且提供工业生产动力。
科学家们深入到这两大能源的核心之处，从而找到了一条通往自然奥秘的珍贵路径，借助于它，西欧、不列颠群岛、北美以及整个世界的工业发展面貌焕然一新。关键在于，正如布莱克及瓦特在上一世纪所发现的那样，要理解热及其本质和行为，最重要的是，理解热力学——研究热能怎样转变为其他形式的能量，其他形式的能量又是怎样转变为热能。
早期工作
对于18世纪大多数化学家和物理学家来说，热是一种看不见的“不可称量的”（即没有重量的）流体，叫做“热质”。当冰融解时，失去热质；当水结冰时，得到热质。水和热之间发生的是某种化学反应。这一理论有时也叫做热的物质论，用来解释某些现象似乎很有效：把一个热的物体放在冷的物体旁边，热似乎从一个物体流向另一个物体，就好像是流体一样。还有，物质加热时会膨胀，就好像有流体进入一样。热质似乎是明摆着的事情，所以很少有科学家认为有理由去质疑它。
但出生于美国的巴伐利亚选帝侯伦福德伯爵就是一个例外。1800年左右，他还在年青一代的英国科学家中选拔了新秀——其中包括戴维和杨。伦福德如此推测，用钝工具给炮筒钻孔应该比用锐工具钻孔产生更少的热（释放更少的热质）；用锐工具应该释放更多的热质，因为它们切削材料更为有效。但事实正好相反。为了解释这一点，伦福德认为，热必定是一种运动，但这个思想不是一下子就能被人们接受。
然而随着19世纪的来到，道尔顿的原子论开始使这一思想变得可信，这就是，在一个充满气体的气球中，或者在一桶水中，或者在一块冰中，都有看不见的微小粒子在振动——振动得快，就表现为热；振动得慢，就表现为冷。
沿着这一思路就有了热动说，最早是由伯努利（Daniel Bernoulli，1700—1782）在1738年提出的，但是当时对原子和分子这样的概念尚未认真考虑。在道尔顿之后，也有少数其他的人试图提出这一理论，但他们都不太知名，也没有得到更多关注。
与此同时，法国科学家正在琢磨瓦特蒸汽机的理论基础。瓦特是一个工程师，他的英国朋友都是实干家，许多人都是自学成才。而法国，因为有巴黎的综合理工学校，因而法国人更擅长理论科学，偏爱热质说。傅立叶（Jean-Baptiste-Joseph Fourier，1768—1830）是一位对数学物理学带来强烈影响的物理学家，他在1822年发表论文《热的解析理论》，提出一种数学分析的新方法，首次清晰地阐述了科学方程必须具有一套自己的单位——这一思想被称为“傅立叶理论”。他还考察了通过固体的热流和笛卡儿提出的量纲理论。但是傅立叶对与热有关的机械力不感兴趣，实际上，他认为“动力理论”和“自然哲学”属于两个互不相关的不同领域。
与此同时，在德国，热动说正在逐渐奠定基础。化学家李比希的学生莫尔（FriedriehMohr，1806—1879）在1837年写道：
“除了已知的54个化学元素以外，在自然界里还存在一种媒介，叫做力；它在合适的条件下可以表现出运动、凝聚、电、光、节奏和磁……因此热并不是一种特殊的物质，而是物体最小粒子的振荡运动。”
所有这些思想都围绕着一个尚未得到充分证实的中心思想。正是一位名为焦耳（James Prescott Joule，1818—1889）的执著实验家为这一概念给出了定量数值。
焦耳的测量
焦耳着迷于对热的研究，他测量了每件东西的热。甚至在度蜜月时，他也不忘测量他和新婚夫人游览的瀑布顶上的温度，焦耳并与瀑布底部的温度相比较。
焦耳在1847年完成的经典实验中，先是测量一桶水的温度，然后把带翼的轮子放进水中。再让翼轮转动很长的时间，使水的温度逐渐升高。焦耳测量了翼轮所做的功和水温的升高，从而算出多少机械能产生多少热，如今这个值被称为“热功当量”。焦耳用了十年甚至更多的时间，测量了他能想到的各种过程所产生的热——包括机械的、电的、磁的——以及他能想到的各种媒介。
在焦耳之前还有其他人也试图获得热功当量的数值。伦福德做过，但数值偏高。迈尔（Julius RobertMayer，1814—1878）也计算过，但没有焦耳的准确。焦耳是当时做得最好的一位，而且他附有大量实验数据。为了对他表示敬意，功或者能量的一个单位叫做焦耳。
焦耳的工作直接导致了对热力学第一定律的承认，这是一条基本原理，因此，他也被看做是这一定律的提出者之一。
第一定律
于是，在拉瓦锡的物质不灭原理之外，1847年，亥姆霍兹（Hermann von Helmhohz，1821—1894）又增加了一条补充定律：“自然作为一个整体，拥有的能量不可能增加，也不会减少。”宇宙中的能量正如同物质一样，既不能创生，也不能破坏，能量也是如此（迈尔曾于1842年提出过能量守恒概念，要早于焦耳或亥姆霍兹的工作，但它所获得的证据支持不如亥姆霍兹）。
这一思想就叫做热力学第一定律，有时可简单归纳为：“无不能生有”，或者用另外一句话来说，不能以少获多。也就是说：
亥姆霍兹是能量守恒原理的奠基人之一，他也因对眼科学、解剖学和生理学的贡献而各大名热能输入=有用能+废能
正如布莱克和瓦特所见，热机（瓦特的蒸汽机是第一个成功的例子）可以把气体中储存的热能转变为涡轮和活塞中的动能。也就是说，由于加热后气体膨胀，储存在蒸汽中的热能可以转变为运动。这个系统中最初的能量来源是燃料——木材或者煤炭——中的化学势能，用它产生了蒸汽。
在物理科学的历史中，热力学第一定律是最具革命性的思想之一。正如科学史家克朗比（Alistair Cameron Crombie，1915—1996）所说：“它的含义和它提出的问题，主宰了从法拉第和麦克斯韦的电磁学研究到1900年普朗克引入量子理论这段时期里的物理学。”随着20世纪爱因斯坦物理学的出现，将会证明，能量和物质概念需要放到一起来考虑，显而易见的是，能量有时可以转变为物质，物质也可以转变为能量。
正如麦克斯韦在对亥姆霍兹的颂词中所写：
“要评价亥姆霍兹《论力的守恒》这篇论文的科学价值，我们必须追问热力学和近代物理学其他领域最伟大发现的发现者们，这篇论文他们读过多少遍，在他们的研究生涯中，他们多少次感受到，亥姆霍兹有分量的叙述作用于他们的心头，就像是不可阻挡的驱动力。”
在他的晚年，亥姆霍兹成了量子理论的创建者普朗克（Max Planck，1858—1947）的导师，通过普朗克，亥姆霍兹的影响在20世纪还将进一步延伸。
第二定律
不同于傅立叶，法国工程师卡诺（Nicolas-Léonard Sadi Carnot，1796—1832）的研究方法更为实际，他把蒸汽机与水轮联系在一起——这一类推有些问题——起初他提出的是这一想法：蒸汽机锅炉释放的克劳修斯热量等于更低温度下冷凝器获得的热量。也就是说，没有热量损失。虽然事实并不是这样，但是卡诺在火发出的热、蒸汽的压强和机器的机械运动之间建立了重要联系。他认识到，一台蒸汽机的能量输出取决于锅炉的高温和冷凝器的低温之差以及流经两者的热量。他猜测，宇宙的总能量是常数，能量只是从一种形式转变为另一种形式。遗憾的是，卡诺在36岁时死于霍乱，没有机会进一步发展他的思想。他的思想于1824年在他唯一的著作《论火的动力》（On the Motive Power of Fire）中发表，对后人产生相当深远的影响。
德国物理学家克劳修斯（Rudolf Clausius，1822—1888）不是实验家，他的杰出天赋表现为善于对其他科学家的结果作出解释和进行数学分析。1850年，克劳修斯得出结论，热不能自己从一个物体传给温度更高的另一个物体。这一陈述后来就叫做热力学第二定律，被认为是19世纪物理学另一项重大发现。
爱尔兰出生的汤姆生（William Thomson，1824—1907），后来在苏格兰以拉格斯的开尔文勋爵闻名，这两个称呼常常并用。他综合了卡诺和焦耳的思想，在1851年发表论文，论述热转变为机械功的可逆性，从而对热的动力学理论也作出了贡献。这是热力学第二定律的另一种表达方式。由于这一贡献，与克劳修斯一起，他也被认为是这一原理的发现者之一。
热力学第二定律可以简单说成是：不能打破平衡。假设有一位潜水员站在深水池旁，此时潜水员具有重力势能，当他或她跳下去时，能量转变为动能，当潜水员撞击水面时，动能又转变为水的热能。但这个过程不能自发地逆转（至少一般不能），能量转变有特定的方向。尽管有可能看到潜水员又返回到水池边，但那是因为用上了某种跳簧或者弹簧或者起重机。要么潜水员搭乘沙滩车才能返回。或者，再举一个例子，热汤可以自发地变冷，但是冷汤却不能变热，除非从外部热源加热。
另一种表述热力学第二定律的方式是：在一个密闭的系统中——没有外部能源——熵总是趋向于增加。熵是一个系统无序性的度量：越是无序，熵越高。另外，因为熵总是趋向于增加，热能不会从更冷的地方流向更热的地方（分子和原子在更冷的固体中要比在更热的液体和气体中更为有序），因此一般说来，自然过程总是趋向于更大的无序。
在某种程度上这意味着，没有来自太阳的能量，地球很快就会衰竭。最后太阳，甚至可能整个宇宙，会耗尽可用能源而灭亡。或者，换句话说，不管你本周把房间整理得多干净，下周你仍然需要重新整理。
气体运动论