A transferência de calor ocorre por três mecanismos principais: condução, onde moléculas com vibração rigorosa transferem sua energia para outras moléculas com energia inferior; convecção, na qual o movimento volumoso de um fluido causa correntes e redemoinhos que promovem a mistura e a distribuição de energia térmica; e radiação, onde um corpo quente emite energia que pode atuar sobre outro sistema por meio de ondas eletromagnéticas. Convecção e condução são os dois métodos mais importantes de transferência de calor em líquidos e gases.
Condução Geral
A condução normalmente ocorre em sólidos. Fogões elétricos usam transferência de calor condutiva para fazer uma panela de água ferver: a energia térmica é transferida do queimador quente para a panela fria, fazendo com que a temperatura da água aumente. A condução acontece por causa da vibração das moléculas. Em uma substância sólida, os átomos, organizados de maneira muito compacta em estruturas semelhantes a redes, têm muito pouca liberdade para se mover no espaço. À medida que o queimador aquece, os átomos do metal começam a vibrar cada vez mais rápido à medida que sua energia aumenta. Quando você coloca a panela de água fria no queimador, está criando um gradiente de temperatura - um lugar para onde o calor flui. Como a energia flui de coisas quentes para coisas mais frias, os átomos vibrantes do queimador transferem parte de seu calor para os átomos que constituem o metal de sua panela de água. Isso faz com que os átomos da panela vibrem, transferindo sua energia para a água.
Condução em gases e líquidos
A condução é mais comum para sólidos, mas em princípio pode - e acontece - em líquidos e gases, mas não muito bem. Como as moléculas dos fluidos têm maior liberdade de movimento do que nos sólidos, há menos chance de que as moléculas vibratórias colidam com outras e transferam energia por todo o fluido. Na verdade, o ar é um condutor tão ruim que é usado para ajudar a isolar casas. Algumas janelas eficientes em termos de energia têm "espaços de ar" entre elas que criam uma bolsa de ar entre o interior da casa e o ar frio externo. Como o ar não conduz o calor muito bem, mais calor permanece dentro de casa, pois o ar dificulta que essa energia térmica saia.
Convecção
A convecção é de longe a forma mais eficiente e comum de transferência de calor por meio de líquidos e gases. Ocorre quando algumas regiões de um fluido ficam mais quentes do que outras, causando correntes no fluido que o movem para distribuir o calor de maneira mais uniforme. Pense em uma casa no inverno. Você deve ter notado que o sótão é sempre muito quente, enquanto o porão costuma ser frio. Isso ocorre porque quando o ar esquenta, ele se torna leve, fazendo com que se mova em direção ao teto. O ar frio é muito mais pesado e cai no chão. Conforme o ar quente se move para o teto e o ar frio cai, esses dois tipos de ar colidem e se misturam, causando o calor do braço quente é transferido para o ar mais frio, distribuindo assim o calor por toda a sala.
Radiação
A radiação ocorre quando um corpo fica quente o suficiente para emitir energia eletromagnética. O sol é um exemplo clássico de transferência de calor por radiação: ele está muito longe no espaço, mas é quente o suficiente para que você sinta seu calor. Você sente esse calor por causa da radiação e, mesmo em um dia frio, o sol fica quente. A energia eletromagnética pode viajar através do espaço vazio e pode fazer com que um objeto alvo se aqueça de longe. A transferência de calor radiativo não ocorre comumente em líquidos e gases.