هنگامی که نور خورشید به صفحه جذب کننده گرما در داخل لوله خلاء برخورد می کند، سیال کار در داخل لوله حرارت می جوشد و تبخیر می شود. بخار به طور مداوم به سمت کندانسور در بالا می رود، جایی که به مایع تبدیل می شود. سپس سیال کاری متراکم شده در امتداد دیواره لوله به قسمت اواپراتور جریان می یابد و چرخه را کامل می کند. این نوع لوله حرارتی که گرما را جذب می کند و در یک انتها تبخیر می شود و در انتهای دیگر متراکم می شود و گرما را آزاد می کند و از طریق تغییر فاز داخلی به انتقال گرما می رسد، معمولاً لوله حرارتی گرانشی نامیده می شود. لوله های حرارتی فاقد هسته{5}}جذب گرما هستند. مایع تغلیظ شده توسط نیروی گرانشی از قسمت کندانسور به قسمت اواپراتور برمی گردد و به طور خودکار بدون نیروی خارجی در گردش است. این فرآیند جمع آوری گرما در لوله خلاء لوله حرارتی است. از آنجایی که لوله های حرارتی برای به گردش درآوردن سیال کار به نیروی جاذبه متکی هستند، بخش اواپراتور باید در هنگام کار در زیر قسمت کندانسور قرار گیرد. اگر قسمت اواپراتور بالای قسمت کندانسور قرار گیرد، نیروی جاذبه مانع جریان برگشتی میعانات می شود. بدون برق برای بازگشت میعانات به بخش اواپراتور، لوله حرارتی کار نخواهد کرد. بنابراین، لولههای حرارتی، دیودهای انتقال حرارت یک طرفه نیز نامیده میشوند. این ویژگی لوله های حرارتی برای کلکتورهای حرارتی خورشیدی مناسب است. آنها گرمای جذب شده خورشیدی را به مخزن آب منتقل می کنند و آب را با انتقال حرارت برگشت ناپذیر گرم می کنند. به عبارت دیگر در طول روز گرما را جذب می کنند اما در شب آن را آزاد می کنند. این امر اتلاف حرارت را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و عملکرد عایق حرارتی کلکتور را بهبود می بخشد.
از آنجایی که لوله های حرارتی عمدتاً به جذب و انتشار گرمای نهان در طول تغییرات فاز سیال عامل و جریان بخار برای انتقال گرما متکی هستند و از آنجایی که اکثر سیالات عامل گرمای نهان تبخیر بالایی دارند، می توانند مقادیر قابل توجهی گرما را بدون نیاز به حجم زیاد تبخیر منتقل کنند. هنگامی که بخار اشباع می شود، اختلاف دما در طول جریان و تغییر فاز آن حداقل است. دیواره لوله نسبتاً نازک منجر به یک گرادیان دمای سطح بسیار کوچک می شود. هنگامی که شار حرارتی بسیار کم است، یک سطح بسیار همدما به دست می آید که هدایت حرارتی را بهبود می بخشد. زاویه نصب لوله حرارتی تأثیر خاصی بر عملکرد انتقال حرارت دارد.