在对热机效应缺乏理论认识的情况下，工程师只能就事论事，从热机的适用性 、安全性和燃料的经济性几个方面来改进热机。他们曾盲目采用空气、二氧化碳， 甚至采用酒精来代替蒸汽，试图找到一种最佳的工作物质。这种研究只具有针对性， 而不具备普遍性；从某一热机上获得的最佳数据不能套用于另一热机。这就是当时 热机理论研究的状况。卡诺采用了截然不同的途径，他不是研究个别热机，而是要 寻一种可以作为一般热机的比较标准的理想热机。
当拉扎尔在1823年8月病故后，卡诺的弟弟回到巴黎，协助卡诺完成了《关于 火的动力》一书的写作，使它在1824年6月12日发表出来。卡诺在这部著作中提出 了“卡诺热机”和“卡诺循环”的概念及“卡诺原理”（现在称为“卡诺定理”）。
根据卡诺热机理论，“卡诺热机”是一切工作于相同高温热源和低温热源之间 的热机中效率最高的热机，是一种理想热机；“卡诺循环”是一种可逆循环，按照 现在的术语来说，是熵保持不变的循环。“卡诺原理”是说：“热动力与用来产生 它的工作物质无关，它的量唯一地由在它们之间产生效力的物体（热源）的温度来 确定，最后还与热质的输运量有关”。
值科注意的是，卡诺在1824年论著中借用了“热质”的概念，这是他的理论在 当时受到怀疑的一个重要原因。卡诺之所以要借助于“热质”，是为了便于通过蒸 汽机和水轮机的形象类比来发现热机的规律。在卡诺看来，“热质”正如水从高水 位流下推动水轮机一样，它从高温热源流出以推动活塞，然后进入低温热源。在整 个过程中，推动水轮机的水没有量的损失；同样，推动活塞的“热质”也没有损失。 为了避免混乱，卡诺在谈到热量、或热与机械功的关系时，就不用“热质”一词， 而改用“热”；况且在他后来的研究记录中，他就彻底抛弃了“热质”一词。在一 个很长的时间内，不少人说卡诺是“热质”论者，其实是没有根据的.
新星陨落
在《关于火的动力》发表后，卡诺继续研究热机理论。由于巴黎总参谋军团的 改组，他被调回部队。他在部队的时间不到一年，就永远辞去了职务，加在到巴黎 在他父亲遗留下来的私寓里长期定居下来。卡诺性格孤僻而清高，他一生只有可数 的几位好友。在学派林立的巴黎学界，卡诺的厌世情绪越来越严重。
他父亲的革命思想对他的影响至深，以致使他不满时局而与时代格格不入，这 就更加恶化了他与社会的关系。七月革命爆发了，他一度表现积极，但很快又失望 了。由于他父亲的名气，七月革命党人提名他为巴黎内阁成员。他厌恶这种官衔世 袭的作法，而毅然拒绝了。最后他仍回到自己的书桌前从事科学研究。1831年，卡 诺开始研究气体和蒸汽的物理性质。4832年6月，他患了猩红热，不久后转为脑炎， 他的身体受了致命的打击。后来他又染上了流行性霍乱，竟于同年8月24日被夺去了 生命。
卡诺去世时年仅36岁，按照当明的防疫条例，霍乱病者的遗物应一律付之一炬。 卡诺生前所写的大量手稿被烧毁，幸得他的弟弟将他的小部分手稿保留了下来。这 部分手稿中有一篇是仅有21页纸的论文----《关于适合于表示水蒸汽的动力的公式 的研究》；其余内容是卡诺在1824－1826年间写下的23篇论文，它们的论题主要集 中在这样三个方面：（1）关于绝热过程的研究；（2）关于用磨擦产生热源；（3） 关于抛弃“热质”学说。卡诺这些遗作直到1878年才由他的弟弟整理发表出来。
卡诺抛弃“热质”学说的原因，首先是受菲涅耳（A．J．Fresnel，1788－ 1827）的影响。菲涅耳认为光和热是一组相似的现象，既然光是物质粒子振动的 结果，那么热也应当是物质粒子振动的结果，是物质的一种运动形式，而不是什么 虚无缥缈没有质量的东西。卡诺接受了菲涅耳的设想，他一方面运用热的动力学 新概念重新审度他在1824年提出的热机理论，发现只要用“热量”一词代替“热质” ，他的理论仍然成立。另一方面，他又深入研究伦福德伯爵（C．Rrmford）和戴维 （H．Davy）的磨擦生热的实验，并计划用实验来揭示在液体或气体中的磨擦热效 应的定量关系，他计算出热功当量为3.7焦耳／卡，比焦耳（J\P\Joule）的工作超 前将近20年。
在卡诺去世两年后，《关于火的动力》才获得了第一个认真的读者----克拉派 隆（Emile Claperon）。他是巴黎理工学院的毕业生，只比卡诺低几个年级。1834 年，他在学院出版的杂志上发表了题为《论热的动力》的论文，用P－V曲线翻译了 卡诺循环，但未引起学术界的注意。10年后，英国青年物理学家开耳芬在法国学习 时，偶尔读到克拉派隆的文章，才知道有卡诺的热机理论。然而，他找遍了各图书 馆和书店，都无法找到卡诺的1824年论著。实际上，他在1848年发表的《建立在卡 诺热动力理论基础上的绝对温标》一文，主要根据克拉派隆介绍的卡诺理论来写的。 1849年，开耳芬终于弄到一本他盼望已久的卡诺著作。十余年后，德国物理学家克 劳修斯（R．Clausius）也遇到了同样的困难，他一直没弄到卡诺原著，只是通过 克拉派隆和开耳芬的论文熟悉了卡诺理论。