Zračenje, konvekcija i vođenje tri su različita načina na koje se toplina može prenositi. Konvekcija i vođenje zahtijevaju materiju za prijenos topline. Zračenje prenosi toplinu kroz prostor u obliku energije, kao valovi. Iako ove tri metode prijenosa topline uključuju različite principe, sve se mogu razumjeti na temelju fizike topline, odnosno toplinske energije.
Materija se sastoji od čestica koje međusobno djeluju kako bi prenijele toplinsku energiju. Kada materijal s višom temperaturom dođe u dodir s materijalom niže temperature, toplina teče od toplijeg prema hladnijem materijalu. Ovaj proces će se nastaviti sve dok dva materijala ne budu na istoj temperaturi i ne dostignu stanje toplinske ravnoteže.
U vodljivosti, topliji komad materije dolazi u dodir s hladnijim komadom materije, a toplina teče iz toplijeg u hladnije područje. Toplina se provodi jer čestice toplije tvari koje se brzo kreću prenose energiju na hladnije, sporije pokretne molekule hladnije tvari. Sposobnost materijala da provodi toplinu ovisi o njegovoj molekularnoj strukturi i konzistenciji. Na primjer, metali su bolji provodnici topline od drveta, a čvrste tvari su bolji provodnici topline od tekućina.
Konvekcija prenosi toplinu na temelju drugačijeg principa kretanja čestica. Kada čestice posjeduju veliku količinu toplinske energije, ta energija uzrokuje njihovo brže kretanje i širenje, čineći materijal manje gustim. Čestice u hladnijem području imaju manje energije i kreću se sporo, što dovodi do veće gustoće. U tekućinama i plinovima, ovaj princip dovodi do toga da hladnija područja materijala tonu na dno, dok se toplija područja dižu na vrh.
Struja nastaje kruženjem tekućine ili plina u ovom obrascu. To se zove konvekcijska struja. U atmosferi, na primjer, hladan zrak ponire dok se topli zrak diže, stvarajući cirkulaciju.
Treći način prijenosa topline, zračenje, ne zahtijeva nikakvu materiju i ne ovisi o međudjelovanju čestica. Primjer je sunčevo zračenje. Sunčeva toplina stiže do Zemlje unatoč putovanju kroz vakuum svemira. U slučaju zračenja toplinska energija postoji u obliku valova. To je vrsta elektromagnetskog zračenja, poput vidljive svjetlosti.
Atomi apsorbiraju energiju zračenja putem svojih elektrona, koji tu energiju koriste za prelazak na višu razinu unutar atoma. Ova energija se može ponovno emitirati kada elektron padne na svoju izvornu razinu. Temperatura objekta u prisutnosti zračenja ovisi o tome koliko energije apsorbira u odnosu na količinu koju emitira, tako da će se temperatura objekta koji apsorbira više energije nego što emitira porasti.