Sekä johtamisessa että konvektiossa lämmitetty aine liikkuu alueelta toiselle tai lämpöenergia virtaa materiaalin sisällä.
Fysiikka kuvaa lämmönsiirtoa tai lämpöenergian liikettä kolmella tavalla. Nämä ovat johtuminen, konvektio ja säteily.
Korkeampi lämpötila tarkoittaa suurempaa kineettistä energiaa
Kun materiaalikappaleen sisällä on lämpötilaero, lämpö osasta, jolla on korkea lämpötila, virtaa osaan, jonka lämpötila on alempi. Tätä kutsutaan lämmönsiirron yleiseksi johtavuusteoriaksi. Korkeampi lämpötila tarkoittaa suurempaa kineettistä energiaa - kuumemman materiaalin osan atomit liikkuvat nopeammin. Nämä nopeasti liikkuvat atomit törmäävät luonnollisesti hitaasti liikkuviin atomien kylmempään osaan. Tuloksena on, että nopeasti liikkuvat atomit menettävät energiaa ja hitaat liikkuvat energiaa. Tämä koko energiansiirtoprosessi on johtavaa lämmönsiirtoa.
Tämän ilmiön matemaattisen kuvauksen muotoili ranskalainen fyysikko Joseph Fourier ja yhtälöä kutsutaan Fourierin laiksi. Tässä yhtälössä todetaan, että lämmönsiirtonopeus voidaan määrittää materiaalin lämpötilaprofiilin ja lämmönjohtavuuden perusteella. Lämpötilaprofiili viittaa lämpötilaeroihin. Lämmönjohtavuus puolestaan perustuu suurelta osin käytettyyn materiaaliin ja sen fysikaalisiin ominaisuuksiin. Jotkut materiaalit, kuten kuparimetallilangat, antavat lämmön virrata helposti ja nopeasti sen läpi, samoin hyvät lämpöjohtimet. Lämmöneristimillä tarkoitetaan materiaaleja, joilla on päinvastainen ominaisuus, ja esimerkkejä ovat lasikuitu tai kumia. Fyysiset mitat vaikuttavat suoraan lämmönjohtavuuteen. Energian siirto luonnollisesti kestää pidempään iso tai epäsäännöllisen muotoisia materiaaleja verrattuna on pieni, virtaviivainen ja symmetrisesti muotoillut materiaaleja.
Tämä koko energiansiirtoprosessi on johtavaa lämmönsiirtoa.
Vaikka johtuminen käsittelee atomien kineettistä energiaa ja toimii yleisenä kuvauksena lämmönsiirrosta, konvektio koskee lämmön ja aineen liikkumista korkean lämpötilan alueelta matalaan. Konvektiolämmönsiirtoon sisältyy paineen ja tiheyden ominaisuudet. Kun ainetta kuumennetaan, siitä tulee yleensä vähemmän tiheä, ja se vaikuttaa kaasujen ja nesteiden suhteen niiden kelluvuuteen. Kiehuva vesipannu on yksinkertainen esimerkki konvektiolämmönsiirrosta. Ruukun pohjassa oleva vesi lämmitetään ensimmäisenä, muuttuu vähemmän tiheäksi ja nousee pinnalle tuottaen kuplia. Yläosassa oleva vesi, joka on vielä kylmää ja niin tiheämpää, uppoaa potin pohjaan ja sitä lämmitetään vuorotellen. Sitten tapahtuu jatkuvaa lämmön ja aineen virtausta kuumien ja kylmien alueiden välillä. Tätä virtausta kutsutaan konvektiovirroiksi.
Säteily tarkoittaa lämmön siirtymistä ilman väliintuloainetta. Sekä johtamisessa että konvektiossa lämmitetty aine liikkuu alueelta toiselle tai lämpöenergia virtaa materiaalin sisällä. Säteilyn myötä lämpöenergia liikkuu kuitenkin enimmäkseen tyhjän tilan läpi. Mikä virtaa tai säteilee, ei välttämättä ole energiaa lämmön muodossa, vaikka se saattoi olla alun perin niin. Kun sytytät tulitikun, lämpö luo valoa, ja valo on energiamuoto, joka voi kulkea joko hiukkasena tai aallona ja iskeä mitä tahansa materiaalia etäisyydeltä. Siten energiansiirto tapahtuu, vaikka materiaali ei olisikaan kiinnittynyt suoraan lämmönlähteeseen.
