Когато слънчевата светлина удари топло{0}}поглъщащата плоча във вакуумната тръба, работният флуид в топлинната тръба кипи и се изпарява. Парата непрекъснато се втурва към кондензатора в горната част, където кондензира в течност. След това кондензираната работна течност тече по стената на тръбата обратно към секцията на изпарителя, завършвайки цикъла. Този тип топлинна тръба, която абсорбира топлина и се изпарява в единия край и кондензира и отделя топлина в другия, постигайки пренос на топлина чрез вътрешна фазова промяна, обикновено се нарича гравитационна топлинна тръба. Топлинните тръби нямат сърцевина,-поглъщаща топлина. Кондензираната течност се връща обратно от секцията на кондензатора към секцията на изпарителя чрез гравитация, като автоматично циркулира без външно захранване. Това е процесът на събиране на топлина от вакуумна тръба с топлинна тръба. Тъй като топлинните тръби разчитат на гравитацията за циркулация на работната течност, изпарителната секция трябва да бъде поставена под кондензаторната по време на работа. Ако изпарителната секция е поставена над кондензаторната секция, гравитацията ще попречи на обратния поток на кондензата. Без мощност за връщане на кондензата в секцията на изпарителя, топлинната тръба няма да функционира. Следователно топлинните тръби се наричат също-еднопосочни топлопреносни диоди. Тази характеристика на топлинните тръби е идеална за слънчеви топлинни колектори. Те пренасят абсорбираната слънчева топлина към резервоар за вода, загрявайки водата, с необратим топлопренос. С други думи, те абсорбират топлина през деня, но я освобождават през нощта. Това значително намалява топлинните загуби и подобрява топлоизолационните характеристики на колектора.
Тъй като топлинните тръби основно разчитат на абсорбцията и освобождаването на латентна топлина по време на фазовите промени на работния флуид и потока на пара за пренос на топлина, и тъй като повечето работни флуиди имат висока латентна топлина на изпарение, те могат да прехвърлят значителни количества топлина, без да изискват голям обем на изпарение. Когато парата е наситена, температурната разлика по време на нейния поток и промяна на фазата е минимална. Сравнително тънката стена на тръбата води до много малък температурен градиент на повърхността. Когато топлинният поток е много нисък, се постига силно изотермична повърхност, подобряваща топлопроводимостта. Ъгълът на монтаж на топлинната тръба има известно влияние върху ефективността на топлопреноса.