在冷卻塔中水被冷卻，一部分熱量由于水的表面蒸發而傳遞到大氣中（將一部分水變成汽，擴散和對流的作用轉入空氣），另一部分熱量則由于水和空氣的溫差形成的接觸散熱（熱傳導和對流的作用）而傳播到大氣中去。此外，由于種射也將若于熱量從水中引走，但由輻射作用而引出的熱量與其它兩種散熱形式比較，相當微小，因而在組成冷卻塔的熱平衡時可以忽略不計。
根據氣體動力學理論，水從它與空氣相接觸的表面蒸發的機理是這樣的，水分子處在無規則的熱運動狀態中，并且其運動速度的波動范圍很大，而那些具有最大速度的分子(確切地說是具有最大動能的分子)沖出水的表面錫入空氣中，調之蒸發。能夠從水中脫出的分子只是那些靠近表面的、并且具有相當大的垂直于水表面的分速度的、能克服分子內聚力的分子。從水表面脫出的水分子與空氣分子相碰，改變自己運動的方向和速度。一部分從水中脫出的分子，當與空氣分子碰撞后可能重新回到水表面，然后又反射到空氣中或者被水吸收(冷凝)。而另一部分從水表面脫出的分子由于擴散和對流的作用進入空氣，無可挽回地損失的水分子成為空氣中的水蒸汽，這一部分水分子的資失便是伴隨物質轉移或稱之為物質交換的區發過程的實質。
有一個所謂蒸發速度的概念，即在單位時間內水量的減少。在水與蒸汽分壓力相同的情況下，蒸發的速度被認為等于零，雖然從液相變為蒸汽的過程沒有停止，但卻被相反的冷此過程，即蒸汽分子過渡到液相的過程完全抵消了。也就是說蒸發出去的分子數量等于單位時間內從水表面脫出去的分子數量與凝結回水表面的蒸汽分子的數量之差。水溫是由處于熱運動狀態的分子動能來確定的，并且較高的溫度得應于較高的分子平均動能。失去的水分子的平均動能比剩余部分大，所以剩余的水的溫度由于蒸發的結果而下降。水分子克服眼內聚力從水中逸出要消耗能量，在蒸發時擴大體積也要消冰能量，這些能量決定蒸發熱。
從水表面逸出的分子非常緩慢地滲入到空氣層里，它們擴散的速度以每秒幾十或幾百分之一厘米來計量，這個速度與分子脫離水表面的速度相比是相當小的。而緊靠近蒸發表面的空氣層非常迅速地積聚著蒸汽分子在這一室氣屋中的分壓力迅速增長。此時蒸汽分子進入空氣層的擴散速度等于蒸發的最大速度與相反過程的冷凝速度之差，也即等于水的蒸發速度。由此得出結論，在空氣中蒸發的速度不取決于在兩相分界面上汽化過程的速度，而取決于氣相中蒸汽分子的擴散速度。
在大氣壓下，在空氣中蒸發時返回水里的分子數目僅僅略小于在同一時間內由蒸發表面穩出的分子數目。在水表面上方存有大其逸出的分子時，形成的幾乎是也和藻汽層，這原理曾由斯藍芬首先提出。他指出飽和蒸汽的壓力和蒸汽分壓力之差是很小的。
為了足夠準確地計算冷卻塔的蒸發冷卻過程，(按斯蒂芬學說 )可以認為在緊貼水表面的空氣層積聚了相當于他和狀態的大量蒸汽分子，此時蒸汽溫度等于水的平均溫度。水滴和水膜表 面的溫度與深層溫度的差值可以忽略不計，因為在冷卻塔中水滴很小，水膜很薄，并且它們強烈地混合著。所以緊貼水表面的空氣層中的水蒸汽的分壓力等于在平均水溫下的他和蒸汽壓力p"vt 在一般情況下，流動于冷卻塔水表面上的主空氣流并沒有被水蒸汽飽和，在冷卻塔工作條件下的水溫和于力范圍內，可以認為水蒸汽符合于理想氣體定律，在溫度為0℃時主空氣流中的蒸汽分壓力pv0，是空氣的相對濕度和他和水蒸汽壓力的乘積。
