Säteily, konvektio ja johtuminen ovat kolme eri tapaa siirtää lämpöä. Konvektio ja johtuminen vaativat aineen lämmön siirtämiseen. Säteily siirtää lämpöä avaruuden läpi energian muodossa aaltoina. Vaikka nämä kolme lämmönsiirtomenetelmää sisältävät erilaisia periaatteita, ne kaikki voidaan ymmärtää lämmön tai lämpöenergian fysiikan perusteella.
Aine koostuu hiukkasista, jotka vuorovaikutuksessa toistensa kanssa siirtävät lämpöenergiaa. Kun korkeamman lämpötilan materiaali joutuu kosketuksiin matalamman lämpötilan materiaalin kanssa, lämpö virtaa kuumemmasta kylmempään materiaaliin. Tämä prosessi jatkuu, kunnes molemmat materiaalit ovat samassa lämpötilassa ja saavuttaneet lämpötilan tasapainon.
Johtamisessa kuumempi aine palaa kosketukseen kylmemmän ainekappaleen kanssa ja lämpö virtaa kuumemmasta kylmemmälle alueelle. Lämpö johdetaan, koska kuumemman aineen nopeasti liikkuvat hiukkaset siirtävät energiaa kylmemmän aineen kylmempiin, hitaammin liikkuviin molekyyleihin. Materiaalin kyky johtaa lämpöä riippuu sen molekyylirakenteesta ja sakeudesta. Esimerkiksi metallit ovat parempia lämmönjohtimia kuin puu ja kiinteät aineet ovat parempia lämmönjohtimia kuin nesteet.
Konvektio siirtää lämpöä hiukkasten eri liikkeen periaatteen mukaisesti. Kun hiukkasilla on suuri määrä lämpöenergiaa, tämä energia saa ne liikkumaan nopeammin ja leviämään, mikä tekee materiaalista vähemmän tiheän. Kylmemmän alueen hiukkasilla on vähemmän energiaa ja ne liikkuvat hitaasti, mikä johtaa suurempaan tiheyteen. Nesteissä ja kaasuissa tämä periaate johtaa materiaalin kylmempiin alueisiin, jotka uppoavat pohjaan, kun taas kuumemmat alueet nousevat ylös.
Virta muodostuu nesteen tai kaasun kiertämisestä tässä mallissa. Tätä kutsutaan konvektiovirraksi. Esimerkiksi ilmakehässä kylmä ilma uppoaa, kun lämmin ilma nousee ja tuottaa kiertoa.
Kolmas lämmönsiirtomenetelmä, säteily, ei vaadi mitään eikä ole riippuvainen hiukkasten vuorovaikutuksesta. Esimerkki on auringon säteily. Auringosta tuleva lämpö saavuttaa maan huolimatta siitä, että se kulkee avaruuden tyhjiön läpi. Säteilyn tapauksessa lämpöenergiaa esiintyy aaltojen muodossa. Se on eräänlainen sähkömagneettinen säteily, kuten näkyvä valo.
Atomit absorboivat säteilyenergian elektroniensa kautta, jotka käyttävät energiaa siirtyäkseen korkeammalle tasolle atomin sisällä. Tämä energia voidaan lähettää uudelleen, kun elektroni putoaa alkuperäiselle tasolleen. Kohteen lämpötila säteilyn läsnä ollessa riippuu siitä, kuinka paljon energiaa se absorboi verrattuna siihen, kuinka paljon se lähettää, joten esine, joka imee enemmän energiaa kuin lähettää, nousee lämpötilassa.