Η μεταφορά θερμικής ενέργειας από μια θερμή περιοχή σε μια ψυχρή περιοχή είναι γνωστή ως ροή θερμότητας. Αυτό συμβαίνει όταν ένα συγκεκριμένο αντικείμενο ή υλικό βρίσκεται σε διαφορετική θερμοκρασία από τα γύρω αντικείμενα. Η αρχή πίσω από αυτή τη διαδικασία περιλαμβάνει το γεγονός ότι η θερμική εξισορρόπηση πρέπει να συμβεί μεταξύ των αντικειμένων, γνωστή και ως ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Στην ουσία, όταν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των υλικών, η ροή θερμότητας μπορεί μόνο να επιβραδυνθεί, όχι να σταματήσει.
Η ροή θερμότητας βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στην έννοια της αγωγιμότητας. Βασικά, η μεταφορά της θερμικής ενέργειας βασίζεται στη διάχυση ελεύθερων ηλεκτρονίων. Προκειμένου η θερμότητα να μετακινηθεί από ένα αντικείμενο ή υλικό σε άλλο, γειτονικά άτομα δονούνται μεταξύ τους. Αυτό προκαλείται από τα ηλεκτρόνια που μετακινούνται από το ένα άτομο στο άλλο. Όσον αφορά τα υγρά, τα μόρια είναι πιο μακριά μεταξύ τους, και αυτός είναι ο λόγος που η θερμική ενέργεια μεταφέρεται με πιο αργό ρυθμό όταν υπάρχει αυτή η κατάσταση της ύλης.
Η μεταφορά είναι επίσης σημαντική για τη ροή θερμότητας. Αυτό συμβαίνει όταν ένα στερεό αντικείμενο ή επιφάνεια βρίσκεται κοντά σε αέριο ή υγρό. Ο ρυθμός θερμικής μεταφοράς αυξάνεται καθώς η κίνηση κινείται πιο γρήγορα. Υπάρχουν δύο διαφορετικοί τύποι μεταφοράς εντός των νόμων της θερμοδυναμικής: η φυσική και η εξαναγκασμένη. Οι δυνάμεις άνωσης που οφείλονται στις διακυμάνσεις της πυκνότητας του αερίου ή του υγρού εμφανίζονται φυσικά, ενώ η εξαναγκασμένη μεταφορά είναι απόκριση σε μια τεχνητή μέθοδο όπως μια αντλία ή ο ανεμιστήρας.
Όταν η θερμότητα μεταφέρεται από υλικά μέσω ενός κενού χώρου, η έννοια είναι γνωστή ως ακτινοβολία. Αυτό συμβαίνει για όλα τα αντικείμενα πάνω από το απόλυτο μηδέν, ακόμα και για εκείνα που βρίσκονται σε τέλειο κενό. Για παράδειγμα, η ακτινοβολία από τον Ήλιο ταξιδεύει μέσω του κενού του διαστήματος πριν προσκρούσει στη γη και σε άλλους πλανήτες.
Η γενική αρχή της θερμοδυναμικής και της ροής θερμότητας καθιερώθηκε από τον Sir Isaac Newton. Ο νόμος της ψύξης δηλώνει ότι «ο ρυθμός απώλειας θερμότητας ενός σώματος είναι ανάλογος με τη διαφορά στις θερμοκρασίες μεταξύ του σώματος και του περιβάλλοντος του ή του περιβάλλοντος». Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί με την ανάλυση των τροφίμων. Για παράδειγμα, όταν μια πίτα αφαιρείται από το φούρνο και τοποθετείται σε δροσερό παράθυρο, ο ρυθμός απώλειας θερμότητας καθορίζεται από τη θερμοκρασία του αέρα.
Μια ενδιαφέρουσα παρενέργεια της ροής θερμότητας μπορεί να συμβεί όταν ο ατμός μεταβάλλεται στην υγρή του φάση. Γνωστή ως συμπύκνωση, αυτή η διαδικασία βασίζεται στην αέρια μορφή ενός υγρού που αλλάζει. Αυτό φαίνεται στη φύση με τη μορφή ομίχλης ή σε ένα δροσερό ποτήρι μια ζεστή μέρα.