Ein Temperaturgradient ist die allmähliche Temperaturänderung mit der Entfernung. Die Steigung des Gradienten ist innerhalb eines Materials konsistent. Ein Gradient wird immer dann erstellt, wenn zwei Materialien mit unterschiedlichen Temperaturen in physischem Kontakt miteinander sind. Maßeinheiten für Temperaturgradienten sind Grad pro Distanzeinheit, z. B. °F pro Zoll oder °C pro Meter.
Viele Temperaturgradienten existieren natürlich, während andere erzeugt werden. Der größte Temperaturgradient auf der Erde ist die Erde selbst. Die Temperatur des Erdkerns wird auf etwa 9,000 °C geschätzt; an der Grenze zwischen Kern und Mantel beträgt sie 5,000°F (6,650°C), während die Krustentemperatur etwa 3,700°F (200°C) beträgt. Jede Schicht weist je nach Wärmeleitfähigkeit der Schicht einen unterschiedlichen Temperaturgradienten auf.
Zwischen Erde und Sonne existiert kein Temperaturgradient, da zwischen ihnen keine Atmosphäre besteht. Die Wärmekapazität ist die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu speichern. Ein Vakuum hat keine Wärmekapazität.
Konvektion zerstört einen thermischen Gradienten. Beim Erhitzen eines Soßentopfes wird die Flüssigkeit, die dem Brenner am nächsten ist, am heißesten. Beim Rühren vermischt sich die heiße Flüssigkeit mit der kühleren Flüssigkeit, die Wärme wird gleichmäßig verteilt und der Temperaturgradient wird aufgehoben.
Wenn sie nicht gerührt wird, führt die konvektive Wärmeübertragung dazu, dass warme Flüssigkeit aufsteigt und kalte abfällt, und es findet eine gewisse Zirkulation statt, obwohl sie nicht so effektiv ist wie aktives Rühren. Im Laufe der Zeit stellen die Wärmeleitungskräfte, die die Wärme vom Boden übertragen, ein Gleichgewicht mit den Konvektionskräften her, die das Wasser zirkulieren lassen. Wenn die Wärmequelle niedrig ist, ist die Zirkulation langsam, ein steiler Temperaturgradient kann vorhanden sein und die Sauce kann am Boden verbrannt werden. Wenn die Hitze hoch ist, kocht die Sauce, die Wärmeübertragung durch Konvektion ist hoch und der Temperaturgradient ist nahe Null.
Die Isolierung wird verwendet, um die Wärmeübertragung zu verzögern, indem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit neben die Wärmequelle gelegt wird. Die Isolierung trägt dazu bei, den Wärmegradienten zwischen dem isolierten Objekt und den Umgebungsbedingungen aufrechtzuerhalten. Kaffee bleibt in einem Schaumbecher wärmer als in einem Aluminiumbecher, da der Schaum die Wärme weniger gut leitet. Ebenso kann sich der Kaffeetrinker beim Aufnehmen der Aluminiumtasse ein paar Finger verbrennen, da der Temperaturgradient nahe Null ist und die Temperatur der Außenseite der Tasse fast die gleiche ist wie die der Innenseite der Tasse.
Um stabil zu sein, muss ein Temperaturgradient eine konstante Wärmequelle und eine verfügbare Wärmesenke haben. Die Aufrechterhaltung konstanter Gradienten ist selten wichtig, außer bei der Durchführung chemischer Reaktionen. Viele industrielle Prozesse erfordern eine sorgfältige Wärmekontrolle. Die lebende Zelle muss auch eine sorgfältige Wärmekontrolle für eine optimale Leistung aufrechterhalten. Während Wissenschaftler verstehen, wie der menschliche Körper als Ganzes einen Temperaturgradienten zwischen seinem Kern und der Außenwelt aufrechterhält, sind die Optionen für einzelne Zellen weniger klar.