Увлечение железной дорогой определяло и научные интересы Эмиля Клапейрона. Он не только изучал проекты паровых машин, но и следил за теоретическими исследованиями в этой области. В 1834 году произошло знаменательное событие: Клапейрон познакомился с трудом Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Эмиль стал фактически первым ученым, который внимательно изучил эту работу, написанную десятью годами ранее, и, пожалуй, первым же, кто понял основные идеи покойного Карно. Так же, как и Карно в своих неопубликованных записях, Клапейрон вплотную подошел к пониманию закона сохранения энергии, впрочем, так и не сформулировав его. Он писал: «Количество работы, совершаемое газом, и количество теплоты, перешедшее от теплого тела к холодному, – величины одинакового типа, которые могут переходить друг в друга, взаимопревращаться. Здесь дело обстоит так же, как и в механике, где тело, которое может падать с определенной высоты, и тело, обладающее определенной скоростью, характеризуются величинами одного вида, которые могут благодаря определенным устройствам превращаться друг в друга». Надо заметить, что вслед за Карно Клапейрон в своих рассуждениях и расчетах использовал гипотетический теплород, в общем-то, понимая теоретическую слабость этой концепции.
Важнейшим достижением Клапейрона считают то, что он разработал графический метод изображения термодинамических процессов. Это дало сразу два положительных эффекта: во-первых, процессы приобрели наглядность, а во-вторых, Клапейрон, прекрасный математик, смог разработать математические методы, позволяющие производить различные расчеты. Далее он вывел два важных уравнения. Первое выражает зависимость между давлением, объемом и абсолютной температурой идеального газа.
Сейчас это соотношение известно под названием уравнение Клапейрона или Менделеева – Клапейрона (в 1874 году, используя закон Авогадро, Менделеев модернизировал его до уравнения состояния одного моля идеального газа). Второе уравнение сейчас носит имя Клапейрона – Клаузиуса. Оно описывает зависимость между давлением и температурой при переходе веществ из одной фазы в другую.
В том же 1834 году Клапейрон опубликовал результаты своих исследований в не очень большой по объему (38 страниц), но весьма содержательной статье. Назвал он ее почти так же, как и Карно «Размышления о движущей силе тепла». Эта работа так и осталась единственным теоретическим трудом Клапейрона. Возможно, именно поэтому роль ученого в становлении термодинамики часто недооценивают. Вторая причина заключается в том, что сам Клапейрон позиционировал свою работу, как изложение идей Карно, не акцентируя внимания на оригинальных результатах. Тем не менее, с уверенностью можно сказать, что собственные результаты Эмиля Клапейрона также очень важны. Установленное им уравнение фазового перехода (уравнение Клапейрона – Клаузиуса) не только имеет фундаментальное значение, но и широко применяется. Оно позволяет рассчитать трудно определяемые экспериментальным путем величины, характеризующие состояние вещества при фазовом переходе. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса, в частности, используется для вычисления тепловых констант.
В 1835 году произошло, в общем-то, радостное, хотя и отвлекшее ученого от научных изысканий событие. Были наконец выделены средства на проект железнодорожной линии Париж – Сен-Жермен. К тому времени Ламе уже получил кафедру физики в Политехнической школе, и реализация задуманного друзьями строительства практически целиком легла на плечи Клапейрона – ему поручили лично возглавить работы. Когда же в 1837 году ветка была построена, он приступил к реализации следующего проекта: железной дороги Бордо – Байонна. Также Клапейрон участвовал в строительстве мостов, в частности, через Сену и Гаронну. В исследовательской деятельности он перешел к более прикладным задачам, в частности, в 1842 году написал важную работу о регулировании давления пара в паровых машинах.
К педагогической работе ученый вернулся лишь в 1844 году, когда ему предложили профессуру в Школе мостов и дорог. Здесь он, в частности, читал собственный курс «Паровые машины». В 1848 году Эмиль Клапейрон был избран во Французскую академию наук. К своему членству ученый относился не просто как к приятной формальности. Он принимал активное участие в работе различных комитетов Академии: по присуждению премий в области механики, по строительству Суэцкого канала, по применению паровых двигателей в военно-морском деле. Умер Эмиль Клапейрон 28 января 1864 года. Сейчас одна из улиц Парижа носит его имя.
