Podle kinetické teorie se při tepelné výměně předává energie pohybu částic, z nichž se skládá jak systém teplo odevzdávající, tak systém teplo přijímající, a to neuspořádaně. Zejména u látek v kondenzovaném stavu je nutno uvažovat vedle kinetické energie částic i energii jejich vzájemných interakcí a vazeb. Tepelná výměna nemusí být spojena se změnou teploty, mění-li se fáze látky - hovoříme pak o latentním teple.

Tepelná výměna přímo nesouvisí s předáváním částic mezi systémy, změnou jejich chemické podstaty, ani změnami pohybového stavu systémů či "vnější" potenciální energie systémů. Změny tepla mohou být sice formálně ekvivalentní určité mechanické práci nebo kinetické energii částic (vibrační, translační, rotační), atp., nejsou však s nimi identické a fyzikálně se od nich fundamentálně liší. Tento rozdíl se zvláště názorně projevuje ve spektroskopii.

Definice tepla však nevylučuje tepelné děje při současném konání práce. V souladu s 1. termodynamickým zákonem je teplo (systémem přijaté) při tepelné výměně rovno změně (zvýšení) vnitřní energie systému zvýšené o (systémem vykonanou) práci (kurzívou je v předchozí větě vyznačeno, kdy se daná změna bere za kladnou).

Přeměnu mechanické práce na teplo a naopak vysvětluje kinetická teorie jako přeměnu kinetické energie uspořádaného pohybu na kinetickou energii neuspořádaného pohybu částic a naopak. Fyzikálně se fundamentální rozdíl mezi "neuspořádaným" a "uspořádaným" pohybem částic projevuje např. ve spektroskopii. Zatímco tepelnému pohybu odpovídá šum, charakterizovaný určitou (širokospektrální) distribuční funkcí, mechanickému pohybu (např. vibračnímu) odpovídají určité ostré spektrální čáry.

Podle překonané fluidové teorie tepla byla podstatou tepla substance - fluidum (zvané calor, calorique apod.) a teplo bylo množství tohoto fluida v látce. Tato představa plně vyhovuje tam, kde neprobíhají chemické reakce a nevyměňuje se práce s okolím (např. v kalorimetrii). Pro tepelné stroje vyhovuje jen kvalitativně, nikoli však kvantitativně: práce se podle ní koná tím, že tepelné fluidum přechází z místa s vyšší teplotou do místa s nižší teplotou, podobně jako voda v řece může konat práci tím, že přechází z vyšší polohy do nižší. Podle fluidové teorie však přitom fluida neubývá, zatímco měření ukazuje, že "fluida ubude" právě tolik, kolik práce se vykoná. Toto vyjadřuje první zákon termodynamiky. S tímto vědomím je fluidová teorie cenná i dnes svou názorností. Názorně vystihuje zejména přenos tepla (kalorimetrická rovnice) a objasňuje přirozenou roli Laplaceovy rovnice a Poissonovy rovnice v těchto dějích, v analogii s teorií tekutin.

Zdůrazněme, že

• o teple i práci má smysl mluvit zejména v souvislosti se změnami těchto veličin, a zpravidla nikoli při popisu stavu. Přesný fyzikální smysl tedy nemají výroky typu "Po zahřátí je v tělese více tepla" (obvykle správněji lze říci, že "těleso má po zahřátí více vnitřní energie");
• pojem práce (a tím i tepla) má přesný smysl jen pro systém v rovnováze (není-li v rovnováze, nemusí jít např. definovat všude stejný tlak, a tím ani práci p dV).

Matematicky i fyzikálně přesněji se jedná o otázku, zda teplo lze v dané situaci považovat za úplný diferenciál (totální), nebo jen tzv. parciální diferenciál. Parciální diferenciál tepla lze převést v diferenciál totální pomocí vynásobení určitým, tzv. integračním faktorem, toto tvrzení je součástí 2. principu termodynamiky. V případě tepla je tímto integračním faktorem reciproká teplota (1/T).

Je třeba rozlišovat dvě různé veličiny: teplo, které popisuje změnu energie tělesa provedenou jistým konkrétním způsobem (dějová veličina), a teplota, která popisuje stav tělesa (stavová veličina). Stavovou veličinou popisující tepelnou výměnu je entropie.