Теплопроводность - это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части. При теплопроводности переносится лишь энергия, а перемещение частиц вещества при этом не происходит.

Итак, теплопроводность - это передача кинетической энергии атомов и молекул более нагретой области атомам и молекулам  менее нагретых областей. Это вызвано тем, что при взаимодействии (столкновении) сблизившихся атомов более быстрый атом чаще всего передает часть своей энергии менее быстрому. При теплообмене твердого тела с газом или жидкостью необходимо учитывать конвекцию и излучение. При не очень высоких температурах излучением обычно можно пренебречь.

Модель содержит металлический стержень, с температурами t1 и  t2 укрепленный на опорах, плохо проводящих тепло. Левый конец стержня нагревается горелкой и тепло переносится (распространяется) вдоль стержняслева направо.

Если бы стержень не терял тепло (из-за нагрева окружающего воздуха и теплового излучения), то температура стержня была бы постоянной и определялась бы только интенсивностью нагрева.

Поскольку стержень отдает тепло окружающему воздуху (температура которого в модели предполагается равной 20ºC), температура вдоль стержня при смещении от нагревателя уменьшается.

График показывает изменение температуры вдоль стержня (в предположении, что в поперечном сечении температура постоянна).

Можно регулировать толщину стержня и интенсивность горения горелки (горелка идеализированная и для простоты регулируется температура нагреваемого конца стержня, а не поток тепла от горелки).
Можно также выбирать стержни из различных металлов.

Эксперименты с моделью показывают, что наилучшей теплопроводностью обладает медь, а за ней идут алюминий, железо и сталь. А также, что толстые стержни лучше передают тепло, чем тонкие.

Конвекция - это теплообмен в жидких и газообразных средах, осуществляемый потоками (или струями) вещества.

При конвекции выравнивание температур в жидкостях и газах происходит в результате перемешиванием теплых и более холодных частей жидкости или газа.  В твердых телах конвекции нет. При конвекции происходит и перенос вещества. Конвекция объясняется тепловым расширением тел и законом Архимеда. Чем выше температура, тем меньше плотность, и поэтому более нагретые части среды поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз. Интенсивность конвекции зависит от разности температур слоев жидкости или газа.

Модель демонстрирует движение холодных и нагретых частей воздуха в комнате с нагревателем.
Холодный воздух показан синим цветом, а теплый - красным.

Благодаря конвекции происходит нагревание или охлаждение воздуха в наших комнатах. Воздух охлаждается вблизи стекол окна и опускается вниз, а его место занимает более теплый воздух комнаты. Без нагревателя в комнате устанавливается циркуляция воздуха, при которой воздух охлаждается около окна и опускается вниз, а вытесняемый им более теплый воздух поднимается вверх, идет к окну и охлаждаясь, опускается вниз. В результате такой циркуляции воздух в комнате охлаждается.

Нагреватель нагревает воздух. Плотность воздуха уменьшается, становиться меньше, чем у окружающего (более холодного) воздуха, и под действием архимедовой (выталкивающей) силы воздух поднимается вверх. Его место внизу заполняет холодный воздух.

Итак, воздух, который соприкасается с нагревателем, нагревается и вследствие этого расширяется и поднимается вверх. Наверху он вытесняет вниз менее теплый воздух комнаты. В комнате возникает циркуляция воздуха, в результате которой воздух в комнате нагревается.

Если нагреватель стоит под окном, то опускающийся вниз охлажденный окном воздух перемешивается с поднимающимся вверх теплым воздухом от нагревателя. В этом случае влияние холодного окна оказывается наименьшим.

Теплообмен может осуществляться излучением. Тепловое излучение испускают все тела, но интенсивность этого излучения зависит от температуры тела (излучающей поверхности).
Тела с низкой температурой излучают тепло слабо, а тела с высокой температурой сильнее.
Тепловое излучение распространяется от тела-источника во всех направлениях. Попадая на поверхность других тел, излучение частично поглощается, а частично отражается. Поглощенная энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тела, и тело нагреваются.
Кроме температуры интенсивность зависит от структуры излучающей поверхности. Светлые и темные поверхности тел поглощают излучение по-разному.

Модель демонстрирует излучение и поглощение теплового излучения телами с различными поверхностями. Теплоприемник представляет собой плоскую круглую коробочку, одна сторона которой светлая (например, отполирована, как зеркало), а другая покрыта черной матовой краской.

Внутри коробочки находится воздух, который соединен трубкой с жидкостным манометром. Два теплоприемника соединены с манометром, позволяя измерять разность температур воздуха в теплоприемниках.

Излучатель - сосуд с горячей водой. Имеется три излучателя. Поверхность первого сосуда темная, второго -светлая, а у третьего - одна сторона темная, а другая светлая.

Если излучатель перенести на подставку между теплоприемниками, то перемещение столбика жидкости в манометре показывает, что воздух в теплоприемниках нагрелся (расширился) по-разному. Нагревание воздуха в теплоприемнике объясняется передачей ему энергии от нагретого тела. По величине смещения жидкости в манометре можно судить о количестве поглощенного теплового излучения. Эта энергия не передается теплопроводностью, так как между нагретым телом и теплоприемником находится воздух, обладающий очень малой теплопроводностью. Вклад конвекции также очень мал, тем более, что теплоприемник расположен не над нагретым телом, а рядом с ним. Энергия в данном эксперименте передается с помощью невидимых лучей, испускаемых нагретым телом. Эти лучи называют тепловым излучением.

Если поверхности теплоприемников, повернутые к излучающему телу разные, то столбик жидкости в манометре перемещается. 

Проводя эксперименты, можно убедиться, что тело с темной поверхностью лучше поглощает энергию (и, следовательно, вблизи нагревателя сильнее нагревается), чем тело со светлой или зеркальной поверхностью. Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают, но и лучше излучают энергию. Больше излучая, они и остывают быстрее.

Для нагревания одной и той же массы разных веществ до одинаковой температуры требуется, вообще говоря, разное количество теплоты. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от рода вещества, из которого состоит это тело.(и характеризуется удельной теплоемкостью вещества).

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для нагревания  1 кг вещества на 1ºС, называется удельной теплоемкостью этого вещества. У каждого вещества своя удельная теплоемкость. Обозначается она латинской буквой C, а измеряется в джоулях на килограмм-градус (Дж/(кг·ºС) ).

Удельная теплоемкость одного и того же вещества при различных температурах или в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном), вообще говоря, различна.

Чтобы получить количество теплоты Q, необходимое для нагревания тела, нужно удельную теплоемкость C тела умножить на его массу m и на разность его конечной t1 и начальной t0 температур:

Количество теплоты Q,  выделяемое телом при охлаждении определяется этой же формулой, но в этом случае t1 < t0 и, следовательно, Q<0, что означает, что при охлаждении тепло выделяется телом. При нагревании тела t1 > t0 и, следовательно, Q>0.

Переход вещества из твердого (кристаллического) состояния в жидкое называется плавлением,обратный процесс называется кристаллизацией или  отвердеванием. (Пример плавления - таяние льда, обратный процесс происходит при замерзании воды.)

При плавлении вещество получает энергию. Отдавая количество теплоты, необходимое для плавления, среда охлаждается. При кристаллизации вещество, наоборот, отдает энергию в окружающую среду. Получая количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, среда нагревается.

В процессе плавления температура вещества не изменяется. Вся получаемая им энергия при этом тратится на разрушение кристаллической решетки и увеличение потенциальной энергии молекул тела.

Физическая величина, равная количеству теплоты, необходимого для превращения 1 кг кристаллическоговещества, взятого при температуре плавления, в жидкость той же температуры, называется удельной теплотой плавлени. Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обычно обозначают греческой буквой λ (ламбда).

При кристаллизации вещества потенциальная энергия молекул уменьшается и в окружающую среду выделяется точно такое же (по модулю) количество теплоты, что и поглощается при его плавлении. Поэтому, например, при замерзании воды массой 1 кг выделяются те же 332 кДж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.

Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела, надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой m, следует пользоваться той же формулой, но со знаком минус:

Эта формула дает количество теплоты, необходимое для кристаллизации тела, имеющего температуру плавления.
В более общем случае, если тело имеет температуру t, то для плавления тела его надо нагреть до температуры плавления t0
(количество теплоты c·m·(t0-t ) ), а затем расплавить (количество теплоты λ m ). После этого можно ещё увеличить температуру расплава до температуры t1 (количество теплоты c2·m·(t1 -t0 ) ). Итак, полное количество теплоты, которое необходимо для плавления и увеличения температуры расплава до температуры t1 равно: 

где c2 - удельная теплоемкость расплава.