Wärmeleitung bezieht sich auf die Übertragung von Wärmeenergie aufgrund eines Objekts mit unterschiedlichen Temperaturen. Damit die Wärmeenergie durch Wärmeleitung übertragen werden kann, darf das Objekt als Ganzes nicht bewegt werden. Die thermische Energie bewegt sich immer von einer höheren Konzentration zu einer niedrigeren Konzentration – das heißt von heiß zu kalt. Wenn ein Teil eines Objekts heiß ist, wird die Wärme daher über Wärmeleitung auf den kühleren Teil dieses Objekts übertragen. Wärmeleitung findet auch statt, wenn sich zwei verschiedene Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen berühren.
Die Teilchen – wie Atome und Moleküle – eines Objekts mit hoher Wärmeenergie bewegen sich schneller als die eines Objekts mit niedriger Wärmeenergie. Wenn die Teilchen erhitzt werden, können sie sich entweder bewegen, aneinander stoßen und dabei Energie übertragen. Bei vielen Feststoffen schwingen die Partikel schneller, wodurch die umgebenden Partikel in Schwingung geraten. Wenn Wärmeenergie übertragen wird, verlangsamen sich die sich schneller bewegenden Partikel und werden dadurch kühler, und die sich langsamer bewegenden Partikel bewegen sich schneller und werden somit wärmer. Dies wird so lange fortgesetzt, bis das Objekt ein thermisches Gleichgewicht erreicht hat.
Ein Beispiel für Wärmeleitung ist ein Metalltopf auf dem Herd. Die Partikel der Wärmequelle bewegen sich und übertragen Wärmeenergie auf die Partikel des Metalls, wodurch sie sich schneller bewegen. Da sich die Partikel im Topf schneller bewegen, wird der Topf wärmer. Außerdem übertragen die Partikel im Topf ihre Wärme auf das Essen oder die Flüssigkeit im Topf. Dadurch kann das Essen garen oder die Flüssigkeit kochen.
Die Geschwindigkeit, mit der ein Objekt Wärme durch Wärmeleitung überträgt, wird als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet. Ein Objekt mit geringer Leitfähigkeit überträgt die Wärme langsamer als ein Objekt mit hoher Leitfähigkeit. Aus diesem Grund werden einige Stoffe als Isolatoren verwendet, während andere beispielsweise beim Kochen verwendet werden. Im Allgemeinen sind Feststoffe bessere Wärmeleiter als Flüssigkeiten und Gase. Zudem sind Metalle in der Regel bessere Wärmeleiter als nichtmetallische Stoffe.
Die durch bewegte Elektronen verursachte Wärmeleitung ist effizienter als die durch Vibration verursachte Wärmeleitung. Der Grund dafür, dass Metalle sowohl Wärme als auch Elektrizität so gut leiten, liegt darin, dass sie viele Elektronen haben, die sich bewegen können. Die Elektronen gehen jedoch im Allgemeinen nicht sehr weit, wenn sie Wärmeenergie leiten, sondern kollidieren mit anderen Elektronen in der Nähe und übertragen Wärmeenergie auf diese, die dann mit anderen Elektronen in ihrer Nähe kollidieren und Wärmeenergie auf andere Elektronen übertragen können. Das Ergebnis ist ein effizientes Energieübertragungsverfahren, das solchen Stoffen eine hohe Wärmeleitfähigkeit verleiht.