Lämpöenergian siirtoa kuumalta alueelta viileälle alueelle kutsutaan lämmönvirtaukseksi. Tämä tapahtuu, kun tietty esine tai materiaali on eri lämpötilassa kuin ympäröivät esineet. Tämän prosessin periaate sisältää sen, että lämpötasapainon on tapahduttava esineiden välillä, joka tunnetaan myös termodynamiikan toisena laina. Pohjimmiltaan, kun materiaalien välillä on lämpötilaero, lämmön virtausta voidaan vain hidastaa, ei pysäyttää.
Lämmön virtaus perustuu voimakkaasti johtumisen käsitteeseen. Lämpöenergian siirto perustuu periaatteessa vapaaseen elektronidiffuusioon. Jotta lämpö siirtyisi esineestä tai materiaalista toiseen, viereiset atomit värisevät toisiaan vasten. Tämä johtuu elektronien siirtymisestä atomista toiseen. Nesteiden osalta molekyylit ovat kauempana toisistaan, minkä vuoksi lämpöenergia siirtyy hitaammin, kun tämä ainetila on läsnä.
Kiertoilma on myös tärkeä lämmön virtauksen kannalta. Tämä tapahtuu, kun kiinteä esine tai pinta sijaitsee lähellä kaasua tai nestettä. Lämmönsiirtonopeus kasvaa, kun liike liikkuu nopeammin. Termodynamiikan laeissa on kaksi erilaista konvektiota: luonnollinen ja pakko. Kaasun tai nesteen tiheysvaihteluista johtuvat kelluvat voimat esiintyvät luonnollisesti, kun taas pakotettu konvektio on vaste ihmisen tekemälle menetelmälle, kuten pumpulle tai tuulettimelle.
Kun lämpö siirretään materiaaleista tyhjän tilan läpi, käsite tunnetaan säteilynä. Tämä tapahtuu kaikille absoluuttisen nollan yläpuolella oleville kohteille, jopa täydellisessä tyhjiössä oleville kohteille. Esimerkiksi auringon säteily kulkee avaruuden tyhjiön läpi ennen kuin se vaikuttaa maahan ja muihin planeettoihin.
Sir Isaac Newton perusti termodynamiikan ja lämpövirran yleisen periaatteen. Jäähdytyslaki sanoo, että ”kehon lämpöhäviö on verrannollinen kehon ja sen ympäristön tai ympäristön lämpötilaeroihin”. Tämä voidaan havaita analysoimalla ruokaa. Esimerkiksi kun piirakka poistetaan uunista ja asetetaan viileään ikkunaan, lämpöhäviön nopeus määräytyy ilman lämpötilan mukaan.
Yksi mielenkiintoinen lämmön virtauksen sivuvaikutus voi ilmetä, kun höyry muuttuu nestefaasiinsa. Tämä prosessi tunnetaan kondensaationa, ja se perustuu nesteen kaasumaiseen muotoon. Tämä näkyy luonnossa sumun muodossa tai viileässä lasissa kuumana päivänä.