Карно учился в Политехнической школе в Париже и после краткого периода службы в армии Наполеона продолжил учебу в Парижском университете и в Коллеж де Франс, интересуясь промышленным применением теории газов и паровых машин. В 1824 году он опубликовал работу, которая оказалась основополагающей для открытия второго начала термодинамики. В этом тексте, озаглавленном «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», Карно изложил научные основы работы тепловых машин. Его главным изобретением была машина Карно — идеальная тепловая машина, принцип действия которой основывается на переносе тепла между двумя полюсами различной температуры (нагревателем и холодильником) через посредник в виде идеального газа, что позволяет осуществлять механическую работу. Карно сформулировал две теоремы, имеющие большое теоретическое и практическое значение: согласно первой, не существует никакой тепловой машины, имеющей большую производительность, чем машина Карно, при использовании двух одинаковых полюсов температуры; согласно второй, при условии равенства температур нагревателей и холодильников двух тепловых машин большую производительность имеет машина с обратимым циклом. Работа Карно была забыта, пока ее не возродили сначала Клапейрон, а затем Томсон.
В конце апреля 1845 года Томсон вернулся в Кембридж, где стал преподавателем (фелло) колледжа святого Петра. Отец с радостью поздравил сына с удивительными успехами в столь раннем возрасте. Так, Томсон-старший сказал ему:
«В твоем возрасте я преподавал восемь часов в день для доктора Эдгара [учителя в маленькой сельской школе в Баллинахинче (Северная Ирландия), где Джеймс Томсон работал ассистентом], а в дополнительные часы, часто усталый и полный апатии, читал по-гречески и на латыни, чтобы подготовиться к поступлению в колледж, что и произошло спустя почти два года».
В июне в Кембридже состоялось собрание Британской ассоциации развития науки. У Томсона появилась возможность встретиться с Фарадеем, работы которого были ему знакомы, и хотя между учеными существовало некоторое недопонимание, они поддерживали научные контакты. Фарадей в то время искал ассистента, однако он не предложил Томсону эту должность. Фарадею было сложно оценить математическую сторону разработок Томсона - с подобным отношением как-то столкнулся и Максвелл, которому Фарадей написал:
«Разве невозможно, чтобы, когда математик, изучающий физические действия и эффекты, доходит до выводов, они были выражены на обычном языке, со свойственной ему полнотой, ясностью и строгостью, так же как это происходит с математическими формулами? Если бы вы могли это делать, неужели это не было бы огромным подарком таким, как я? Надо перевести эти термины с языка иероглифов, которым они выражены, чтобы можно было экспериментально работать с ними. Я действительно думаю, что это необходимо».
На том собрании Томсон представил работу, в которой предлагал решение задачи с двумя круглыми заряженными проводниками, взаимодействующими между собой. Итак, он вернулся к тем же вопросам, что поднимал в работах, написанных для Лиувилля, но теперь речь шла о новом интересующем его аспекте.
В 1834 году Уильям Сноу Харрис (1791-1867), врач и исследователь, интересующийся электрическими свойствами материалов, провел серию экспериментов, связанных с электричеством высокого напряжения. Как и Томсон спустя несколько лет, Харрис в 1835 году получил за эти работы медаль Копли от Королевского общества. Одним из вопросов, который его интересовал, были искры, проскакивающие между двумя достаточно близко расположенными проводниками. Томсон показал, что этот факт может служить для установления — в определенных пределах — абсолютного уровня силы электрического тока, и это может быть объектом более детального исследования. Ученый вновь настаивал на том, что, исходя из закона Кулона, законы Фарадея могут определяться как теоремы, которые можно вывести с использованием простых методов математического анализа, разработанных Грином.
Томсон в своей работе также столкнулся с необходимостью экспериментировать с диэлектрическими материалами. Эти материалы — плохие проводники и могут использоваться как изоляторы, но, в отличие от последних, в них можно вызвать внутреннее электрическое поле, если поместить их в другое электрическое поле. Томсон был заинтересован в изучении эффектов, которые могли бы возникнуть при движении подобных материалов и их взаимодействии с поляризованным светом.