Konvektionsströme entstehen aufgrund des Dichteunterschieds zwischen heißen und kalten Flüssigkeiten. Eine Flüssigkeit, die von unten erwärmt wird, dehnt sich aus und steigt auf. Wenn diese Flüssigkeit kühl wird, zieht sie sich zusammen und sinkt. Dieser kontinuierliche Zyklus von Expansion und Kontraktion verursacht Konvektionszellen.
Konvektion ist die einzige der drei Wärmeübertragungsmethoden, bei der Materie bewegt wird. Die anderen beiden Methoden, Leitung und Strahlung, übertragen Wärme zwischen relativ stationären Mediumpartikeln bzw. ohne dass ein Medium benötigt wird.
Die Abnahme der Dichte, die mit der Erwärmung einhergeht, wird durch das ideale Gasgesetz erklärt. Bei konstantem Druck ist die Temperatur eines Gases direkt proportional zu seinem Volumen. Mit steigender Temperatur nimmt auch die kinetische Energie der Gasmoleküle oder -atome zu. Je energiereicher diese Gasmoleküle sind, desto schneller bewegen sie sich. Unter der Annahme einer konstanten durchschnittlichen Zeit für Kollisionen zwischen Gasmolekülen entspricht eine Zunahme der Geschwindigkeit einer größeren durchschnittlichen Distanz, die zwischen Kollisionen zurückgelegt wird, was einem größeren Volumen entspricht, das von der gleichen Anzahl von Molekülen eingenommen wird.
Da das Volumen bei gleicher Masse umgekehrt proportional zur Dichte ist, entspricht diese Volumenzunahme bei steigender Temperatur einer Abnahme der Dichte. Flüssigkeiten mit geringerer Dichte schwimmen auf dichteren Flüssigkeiten, daher schwimmt das heißere, leichtere Gas auf dem kühleren, dichteren Gas. Ähnliche Prinzipien können auf Flüssigkeiten angewendet werden, die sich beim Erhitzen bzw. Abkühlen weniger ausdehnen und zusammenziehen.
