在冷却塔中水被冷却，一部分热量由于水的表面蒸发而传递到大气中（将一部分水变成汽，扩散和对流的作用转入空气），另一部分热量则由于水和空气的温差形成的接触散热（热传导和对流的作用）而传播到大气中去。此外，由于种射也将若于热量从水中引走，但由辐射作用而引出的热量与其它两种散热形式比较，相当微小，因而在组成冷却塔的热平衡时可以忽略不计。
根据气体动力学理论，水从它与空气相接触的表面蒸发的机理是这样的，水分子处在无规则的热运动状态中，并且其运动速度的波动范围很大，而那些具有最大速度的分子(确切地说是具有最大动能的分子)冲出水的表面锡入空气中，调之蒸发。能够从水中脱出的分子只是那些靠近表面的、并且具有相当大的垂直于水表面的分速度的、能克服分子内聚力的分子。从水表面脱出的水分子与空气分子相碰，改变自己运动的方向和速度。一部分从水中脱出的分子，当与空气分子碰撞后可能重新回到水表面，然后又反射到空气中或者被水吸收(冷凝)。而另一部分从水表面脱出的分子由于扩散和对流的作用进入空气，无可挽回地损失的水分子成为空气中的水蒸汽，这一部分水分子的资失便是伴随物质转移或称之为物质交换的区发过程的实质。
有一个所谓蒸发速度的概念，即在单位时间内水量的减少。在水与蒸汽分压力相同的情况下，蒸发的速度被认为等于零，虽然从液相变为蒸汽的过程没有停止，但却被相反的冷此过程，即蒸汽分子过渡到液相的过程完全抵消了。也就是说蒸发出去的分子数量等于单位时间内从水表面脱出去的分子数量与凝结回水表面的蒸汽分子的数量之差。水温是由处于热运动状态的分子动能来确定的，并且较高的温度得应于较高的分子平均动能。失去的水分子的平均动能比剩余部分大，所以剩余的水的温度由于蒸发的结果而下降。水分子克服眼内聚力从水中逸出要消耗能量，在蒸发时扩大体积也要消冰能量，这些能量决定蒸发热。
从水表面逸出的分子非常缓慢地渗入到空气层里，它们扩散的速度以每秒几十或几百分之一厘米来计量，这个速度与分子脱离水表面的速度相比是相当小的。而紧靠近蒸发表面的空气层非常迅速地积聚着蒸汽分子在这一室气屋中的分压力迅速增长。此时蒸汽分子进入空气层的扩散速度等于蒸发的最大速度与相反过程的冷凝速度之差，也即等于水的蒸发速度。由此得出结论，在空气中蒸发的速度不取决于在两相分界面上汽化过程的速度，而取决于气相中蒸汽分子的扩散速度。
在大气压下，在空气中蒸发时返回水里的分子数目仅仅略小于在同一时间内由蒸发表面稳出的分子数目。在水表面上方存有大其逸出的分子时，形成的几乎是也和藻汽层，这原理曾由斯蓝芬首先提出。他指出饱和蒸汽的压力和蒸汽分压力之差是很小的。
为了足够准确地计算冷却塔的蒸发冷却过程，(按斯蒂芬学说 )可以认为在紧贴水表面的空气层积聚了相当于他和状态的大量蒸汽分子，此时蒸汽温度等于水的平均温度。水滴和水膜表 面的温度与深层温度的差值可以忽略不计，因为在冷却塔中水滴很小，水膜很薄，并且它们强烈地混合着。所以紧贴水表面的空气层中的水蒸汽的分压力等于在平均水温下的他和蒸汽压力p"vt 在一般情况下，流动于冷却塔水表面上的主空气流并没有被水蒸汽饱和，在冷却塔工作条件下的水温和于力范围内，可以认为水蒸汽符合于理想气体定律，在温度为0℃时主空气流中的蒸汽分压力pv0，是空气的相对湿度和他和水蒸汽压力的乘积。
