Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung sind drei verschiedene Arten der Wärmeübertragung. Konvektion und Wärmeleitung benötigen Materie, um Wärme zu übertragen. Strahlung überträgt Wärme in Form von Energie in Form von Wellen durch den Raum. Obwohl diese drei Methoden der Wärmeübertragung unterschiedliche Prinzipien beinhalten, können sie alle basierend auf der Physik der Wärme oder thermischen Energie verstanden werden.
Materie besteht aus Teilchen, die miteinander interagieren, um Wärmeenergie zu übertragen. Wenn ein Material mit höherer Temperatur mit einem Material mit niedrigerer Temperatur in Kontakt kommt, fließt Wärme vom heißeren zum kälteren Material. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis die beiden Materialien die gleiche Temperatur haben und einen Zustand des thermischen Gleichgewichts erreicht haben.
Bei der Leitung kommt ein heißeres Materiestück mit einem kälteren Materiestück in Kontakt, und Wärme fließt vom heißeren in den kälteren Bereich. Die Wärme wird geleitet, weil sich schnell bewegende Teilchen der wärmeren Materie Energie auf die kälteren, sich langsamer bewegenden Moleküle der kälteren Materie übertragen. Die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten, hängt von seiner molekularen Struktur und Konsistenz ab. Metalle sind beispielsweise bessere Wärmeleiter als Holz und Feststoffe sind bessere Wärmeleiter als Flüssigkeiten.
Konvektion überträgt Wärme nach einem anderen Prinzip der Teilchenbewegung. Wenn Partikel eine große Menge an thermischer Energie besitzen, bewirkt diese Energie, dass sie sich schneller bewegen und sich ausbreiten, wodurch das Material weniger dicht wird. Partikel in einer kälteren Region haben weniger Energie und bewegen sich langsam, was zu einer höheren Dichte führt. Bei Flüssigkeiten und Gasen führt dieses Prinzip dazu, dass kältere Bereiche des Materials nach unten sinken, während heißere Bereiche nach oben steigen.
Ein Strom wird durch die Zirkulation von Flüssigkeit oder Gas in diesem Muster gebildet. Dies wird als Konvektionsstrom bezeichnet. In der Atmosphäre sinkt beispielsweise kalte Luft, während warme Luft aufsteigt, wodurch eine Zirkulation entsteht.
Die dritte Methode der Wärmeübertragung, Strahlung, erfordert keine Materie und hängt nicht von der Wechselwirkung der Teilchen ab. Ein Beispiel ist die Sonneneinstrahlung. Die Wärme der Sonne erreicht die Erde, obwohl sie durch das Vakuum des Weltraums wandert. Bei Strahlung liegt thermische Energie in Form von Wellen vor. Es ist eine Art elektromagnetischer Strahlung, wie sichtbares Licht.
Atome absorbieren die Strahlungsenergie durch ihre Elektronen, die die Energie nutzen, um sich innerhalb des Atoms auf eine höhere Ebene zu bewegen. Diese Energie kann wieder abgegeben werden, wenn das Elektron auf sein ursprüngliches Niveau fällt. Die Temperatur eines Objekts in Gegenwart von Strahlung hängt davon ab, wie viel Energie es absorbiert und wie viel es emittiert.