La chaleur ΔE (ou Q dans certains ouvrages) est une quantité d'énergie qui est donnée ou prise - c'est un échange d'énergie.

Un changement d'énergie négatif signifie qu'un matériau donne de l'énergie à son environnement. Un changement d'énergie positif signifie qu'il prend de l'énergie à son environnement.

Le premier mode de transfert de l'énergie thermique est la radiation. L'exemple le plus commun est le Soleil : son énergie vient sur Terre sous forme de lumière. La lumière elle-même est donc un transfert d'énergie.

On appelle irradiance I  (ou éclairement énergétique) la puissance (l'énergie par seconde) reçue d'une source radiative par mètre carré. Par exemple, le Soleil émet environ 3×10²⁶ watts dans toutes les directions, mais, situé à 150 millions de kilomètres du Soleil, nous ne récupérons que 1300 watts par mètre carré. Pour calculer la puissance totale reçue par une surface S, on utilise la formule suivante.

En l'absence de travail, l'énergie tend à se distribuer jusqu'à parvenir à un équilibre. Si le matériau est solide, ses particules sont arrangées les unes à côté des autres. A un bout du matériau, une particule qui reçoit de l'énergie vibre plus fortement. Son mouvement fait bouger la particule voisine, puis la particule suivante jusqu'à ce que, comme des dominos, toutes les particules reçoivent la même quantité d'énergie. La chaleur dans le matériau se distribue donc dans une direction, du point le plus chaud vers le point le plus froid. On appelle cette distribution d'énergie la conduction.

Si le matériau est liquide ou gazeux, les particules sont éloignées les unes des autres. Si une région du matériau est plus chaude, ses particules se déplacent plus vite que celles dans les autres régions. Elles ont assez d'énergie pour "envahir" la région froide. Elles entrent alors en collision avec des particules plus lentes, leur donnant un peu de leur énergie. Maintenant, il y a plus de particules dans la région froide que dans la région chaude: l'excèdent est repoussé vers la région chaude, qui obtient de l'énergie et recommence le cycle. On appelle cette distribution  d'énergie la convection.

La conductivité thermique d'une paroi dépend des matériaux qui la compose. Chaque matériau peut plus ou moins conduire la chaleur. Par exemple, les métaux sont de bons conducteurs d'électricité et de chaleur: étant peu électronégatifs, ils forment à l'état pur une structure régulière d'atomes empilés les uns à côté des autres baignant dans une "mer" d'électrons libres. Ce sont ces électrons qui amènent l'énergie (électrique ou calorifique) d'un point à un autre. C'est pourquoi on évitera de construire des bâtiments d'habitation avec uniquement des parois en métal.

L'isolation consiste à ralentir le flux d'énergie à travers une paroi en y ajoutant des matériaux peu conducteurs. Pour calculer ce flux, on utilise le coefficient de transfert thermique U, fonction de la conductivité thermique λ et de l'épaisseur de matériau e.

On peut aussi utiliser sa réciproque, la résistance thermique R_TH.

La quantité d'énergie traversant un matériau par seconde correspond à une puissance.

Cette puissance est proportionnelle au coefficient de transfert thermique, à la surface de la paroi et à la différence de température entre les deux côtés de la paroi.

On notera que, si la température extérieure est inférieure à la température intérieure, la puissance traversant la paroi est positive: c'est de la chaleur donnée à l'environnement extérieur. Si la température extérieure est supérieure à la température intérieure, cette puissance est négative: c'est de la chaleur donnée par l'environnement extérieur à l'air intérieur.

Calculer la puissance traversant une paroi permet d'évaluer l'efficacité du pouvoir isolant d'un mur, mais aussi de calculer la puissance de chauffage qu'on doit installer pour simplement maintenir une température à l'intérieur d'un local ou d'une habitation. Plus la différence entre température extérieure et intérieure est grande, plus la puissance nécessaire est grande.

Une paroi est souvent composée de plusieurs matériaux (béton, bois, laine de verre, plâtre, etc.). La résistance thermique totale d'une paroi est égale, comme pour des résistance en série, à la somme de leur résistance thermiques.