De overdracht van warmte in materie omvat de beweging van deeltjes op atomair of moleculair niveau. Deeltjes dragen warmte over via drie mechanismen:geleiding, convectie en straling.

1. Geleiding: Dit is de overdracht van warmte tussen deeltjes die in direct contact met elkaar staan. Wanneer twee objecten met verschillende temperaturen met elkaar in contact komen, trillen de deeltjes in het hetere object sneller en botsen ze met de deeltjes in het koelere object, waardoor er energie aan wordt overgedragen. Vaste stoffen zijn over het algemeen betere warmtegeleiders dan vloeistoffen en gassen, omdat de deeltjes dichter op elkaar zijn gepakt en dus vaker met elkaar in botsing komen. Vooral metalen zijn uitstekende thermische geleiders vanwege hun grote aantal vrije elektronen, die gemakkelijk warmte kunnen transporteren.

2. Convectie: Dit is de overdracht van warmte door de beweging van een vloeistof (vloeistof of gas). Het treedt op wanneer een warme vloeistof opstijgt en wordt vervangen door een koelere vloeistof, die vervolgens wordt verwarmd en in een continue cyclus stijgt. Convectie is een primair mechanisme voor warmteoverdracht in vloeistoffen en gassen. Wanneer water bijvoorbeeld in een pot wordt verwarmd, wordt het water aan de onderkant van de pot minder dicht omdat het uitzet als gevolg van de hogere temperatuur. Dit minder dichte water stijgt en transporteert warmte naar het koelere water bovenaan, dat vervolgens zinkt en wordt verwarmd.

3. Straling: Dit is de overdracht van warmte door de emissie en absorptie van elektromagnetische golven. Alle objecten boven het absolute nulpunt zenden elektromagnetische straling uit, maar de hoeveelheid en het type straling zijn afhankelijk van de temperatuur van het object. Bij kamertemperatuur zenden voorwerpen voornamelijk infraroodstraling uit, die als warmte kan worden gevoeld. Voor straling is geen medium nodig, dus het kan plaatsvinden in de lege ruimte of via een vacuüm. De warmte die u van de zon voelt, is bijvoorbeeld te wijten aan straling die door het vacuüm van de ruimte wordt uitgezonden.

In veel praktijksituaties is bij warmteoverdracht sprake van een combinatie van deze mechanismen. In een open haard dragen geleiding en convectie bijvoorbeeld warmte over van het vuur naar de omringende lucht, terwijl straling warmte naar verre objecten in de kamer transporteert. Het begrijpen van deze mechanismen is essentieel op verschillende gebieden, zoals techniek, meteorologie, geologie en veel industriële toepassingen waar efficiënte warmteoverdracht of isolatie vereist is.