Operazione attraverso cui viene variata la temperatura di un fluido o, più raramente, di un solido, oppure ne viene provocato il cambiamento di fase (ossia il passaggio dalla fase gassosa a quella liquida, o dalla fase liquida a quella solida, o viceversa). In generale lo studio dei fenomeni di scambio termico si può ricondurre a due variabili: la temperatura e il flusso di calore. La temperatura indica l’energia molecolare media di un sistema; il flusso di calore indica lo scambio di energia termica da un corpo a un altro. Su scala microscopica l’energia termica è legata all’energia cinetica delle molecole; la temperatura di un materiale è tanto più alta, quanto più elevata è l’agitazione termica delle molecole che lo costituiscono. In virtù del secondo principio della termodinamica i corpi che hanno una maggiore energia cinetica molecolare media cedono spontaneamente questa energia ai corpi che hanno un’energia cinetica molecolare media minore. I flussi di calore tra due regioni dipendono da svariate proprietà materiali, tra cui conduttività termica, calore specifico, densità, emittività superficiale. Nel caso del trasporto di calore in un fluido sono molto importanti la sua velocità di flusso e la sua viscosità. Il meccanismo di trasferimento di calore può essere di tre tipi: per conduzione, per convezione e per irraggiamento. Il trasferimento per conduzione avviene nei solidi e nei fluidi in quiete o in moto laminare. È definito come un processo di carattere molecolare nel quale parte dell’energia delle molecole della porzione più calda di un mezzo materiale (la cui energia molecolare media è pertanto maggiore) si trasferisce alle molecole di una porzione più fredda, senza che abbia luogo trasporto di materia. Tale processo ha luogo per effetto di collisioni molecolari dirette, in seguito all’azione di vibrazioni e urti. Nei metalli una porzione significativa dell’energia termica viene trasferita grazie al movimento degli elettroni di conduzione. La convezione è definita come il processo macroscopico, che ha luogo solo nei fluidi, nel quale il fluido più caldo si sposta (o viene fatto spostare) in zone del fluido a temperatura inferiore, rimescolandosi e cedendo parte della propria energia termica. Se il moto del fluido è unicamente generato dalle differenze di densità provocate dalle differenze di temperatura, la convezione si dice naturale; se il moto del fluido è prodotto meccanicamente, la convezione viene detta forzata. 

L’irraggiamento è il trasferimento di calore da un corpo a un altro che avviene per emissione e assorbimento di energia raggiante. Tutti i corpi emettono energia raggiante in tutte le direzioni, in quantità che dipendono dalla loro temperatura. In questo caso l’energia è trasportata dai fotoni della radiazione elettromagnetica appartenenti essenzialmente alla regione infrarossa e visibile dello spettro elettromagnetico. Quando le temperature sono uniformi, il flusso radiativo tra oggetti è in condizioni di equilibrio e quindi non avviene alcun trasferimento netto di energia termica. Quando le temperature non sono uniformi, il flusso radiativo provoca un trasporto dell’energia termica dalle superfici più calde a quelle più fredde. In molti casi i processi di scambio termico possono avvenire grazie al contributo di tutti e tre i meccanismi sopra citati. Per quanto riguarda le operazioni di scambio termico in cui sono coinvolte fasi fluide, affinché si abbia scambio di calore, è necessario che esista una differenza di temperatura tra un fluido più caldo ed uno più freddo e lo scambio termico agisce nel senso di portare ad un riequilibrio delle temperature. Il sistema più semplice per riscaldare o raffreddare un fluido sarebbe quello di mescolarlo direttamente con un fluido più caldo o più freddo (contatto diretto tra due corpi), ma ciò non viene quasi mai fatto in pratica per gli ovvi inconvenienti che ciò comporterebbe. Infatti, mescolando i due fluidi, se ne ottiene una miscela, che può essere molto complicato separare, e ciò non è accettabile in gran parte delle applicazioni: il mescolamento diretto viene adottato solo se fluido caldo e freddo hanno la stessa composizione chimica e purezza (ad esempio acqua calda e acqua fredda) o se essi si possono separare facilmente (ad esempio sono due liquidi immiscibili) o se si hanno fluidi per i quali non si verificano fenomeni di sporcamento,
inquinamento o miscelazione spinta tra le fasi; nel caso in cui i due fluidi siano un liquido e un gas, tale metodologia può essere utilizzata solo se è possibile tollerare l’evaporazione del liquido nella corrente gassosa, cioè quando tale evento non è da considerarsi né come una perdita di liquido né come causa di inquinamento della corrente gassosa. In tutti gli altri casi lo scambio termico viene realizzato senza contatto diretto tra i fluidi, ma interponendo tra di essi una parete solida di un materiale che scambi bene il calore. Tali superfici, però, costituiscono una resistenza aggiuntiva al trasferimento di calore. A tale scopo si usano generalmente i metalli (soprattutto acciai) che sono caratterizzati, oltre che da una elevata conducibilità termica, anche da una ottima resistenza meccanica, il che consente di realizzare pareti di piccolo spessore. La interposizione di una parete tra i fluidi che scambiano calore comporta comunque una riduzione assai modesta nell’efficienza dello scambio termico; quest’ultimo può invece peggiorare sensibilmente in presenza di deposizioni e incrostazioni, causate da morchie, calcare, ecc., che presentano bassa conducibilità termica. La superficie attraverso cui avviene lo scambio termico va quindi mantenuta pulita, rimuovendo periodicamente le incrostazioni, in modo da evitare che lo scambio termico venga eccessivamente ostacolato dallo spessore progressivamente crescente del deposito.