冷水塔内水的降温主要是由于水的蒸发散热和气水之间的接触传热。因为冷水塔多为封闭形式，且水温与周围构件的温度都不是很高，故辐射传热量可不予考虑。
根据气体动力学理论，处于无规则状态中的水分子，其运动速度差别很大，速度大的分子动能也大，它们能克服内聚力的束缚冲出水面，成为自由蒸汽分子。这些分子中的一部分与空气分子碰撞后可能重新回到水面被水吸收（冷凝），而另一部分可由于扩散和对流的作用进入空气的主流，成为空气中的水分子。上述这种水分子在常温下逸出水面成为自由蒸汽分子的传质现象称为水的表面蒸发。由于逸出水分子的平均动能比其余没有逸出水面的分子大，因而蒸发的结果会使水温下降。
单位面积水面上的表面蒸发速度（kg/m2·h）与水温和蒸汽分子向空气中扩散的速度有关。水温之所以有关是因为它标志着水分子的平均动能以及冲破内聚力的束缚而逸出水面的几率；而蒸汽分子向空气中扩散的速度之所以有关是因为空气中水分子返回水面的速度与空气中的水分浓度成比例。当空气中的水分子浓度达到某个数值时，会出现水分子逸出水面的速度与空气中水分子返回水面的速度相等的情况，这时空气中水分子含量达到饱和，蒸发散热就将减弱甚至停止。故在一定温度下，蒸发速度取决于水分子由水面附近向空气深处的扩散速度。
于是，一般认为当未饱和空气与水接触时，在水与气的分界面上存在极薄的一层饱和空气层，水首先蒸发到饱和气层中，然后再扩散到空气中去。
设水面温度为t，紧贴水面的饱和空气层的温度与它相同，但其饱和水蒸气的分压力为p″，而远离水面空气流的温度为θ，它的蒸汽分压力是空气相对湿度φ和空气温度θ时的饱和蒸汽压力
的乘积，即
设水面温度为t，紧贴水面的饱和空气层的温度与它相同，但其饱和水蒸气的分压力为p″，而远离水面空气流的温度为θ，它的蒸汽分压力是空气相对湿度φ和空气温度θ时的饱和蒸汽压力
的乘积，即
式中 p——温度为θ℃的空气层中的蒸汽分压力，Pa；
φ——空气的相对湿度；
式中 p——温度为θ℃的空气层中的蒸汽分压力，Pa；
φ——空气的相对湿度；
——空气温度θ℃时的饱和蒸汽压力，Pa。
于是在水面饱和气层和空气流之间就形成了分压力差
Δp=p″-p,Pa
它是水分子向空气中蒸发扩散的推动力。只要p″＞p，水的表面就会产生蒸发，而与水面温度t高于还是低于水面上的空气温度θ无关。在冷水塔的工作条件下，总是符合p″＞p的，因此不论水温高于还是低于周围空气温度，Δp总是正数，故在冷水塔中总能进行水的蒸发，蒸发所消耗的热量总是由水传给空气，其值可表示为
——空气温度θ℃时的饱和蒸汽压力，Pa。
于是在水面饱和气层和空气流之间就形成了分压力差
Δp=p″-p,Pa
它是水分子向空气中蒸发扩散的推动力。只要p″＞p，水的表面就会产生蒸发，而与水面温度t高于还是低于水面上的空气温度θ无关。在冷水塔的工作条件下，总是符合p″＞p的，因此不论水温高于还是低于周围空气温度，Δp总是正数，故在冷水塔中总能进行水的蒸发，蒸发所消耗的热量总是由水传给空气，其值可表示为
式中 Qβ——由蒸发产生的传热量，kW；
γ——汽化潜热，kJ/kg；
βp——以分压差表示的传质系数，kg/（m2·s·Pa）。
水和空气温度不等导致接触传热是引起水温变化的另一个原因，接触传热的推动力为两者的温差（t-θ），接触传热的热流方向可从空气流向水，也可从水流向空气，这要看两者的温度以何者为高，其值为
式中 Qβ——由蒸发产生的传热量，kW；
γ——汽化潜热，kJ/kg；
βp——以分压差表示的传质系数，kg/（m2·s·Pa）。
水和空气温度不等导致接触传热是引起水温变化的另一个原因，接触传热的推动力为两者的温差（t-θ），接触传热的热流方向可从空气流向水，也可从水流向空气，这要看两者的温度以何者为高，其值为
式中 Qα——水气间的接触传热量，kW；
α——接触传热时的换热系数，kW/（m2·℃）。
在冷水塔中，一般空气量很大，空气温度变化较小。当水温高于气温时，蒸发散热和接触传热都向同一方向（即由水向空气）传热，因而由水放出的总热量为
Q=Qβ+Qα
其结果是使水温下降。当水温下降到等于空气温度时，接触传热量Qα=0。这时
Q=Qβ
故蒸发散热仍在进行。而当水温继续下降到低于气温时，接触传热量Qα的热流方向从空气流向水，与蒸发散热的方向相反，于是由水放出的总热量为
Q=Qβ-Qα
如果Qβ＞Qα，水温仍将下降。但是Qβ渐趋减小，而Qα渐趋增加，于是当水温下降到某一程度时，由空气传向水的接触传热量等于由水传向空气的蒸发散热量，这时
Q=Qβ-Qα=0
从此开始，总传热量等于零，水温也不再下降，这时的水温为水的冷却极限。对于一般的水的冷却条件，此冷却极限与空气的湿球温度近似相等。因而湿球温度代表着在当地气温条件下，水可能冷却到的最低温度。水的出口温度越接近于湿球温度（τ）时，所需冷却设备越庞大，故在生产中要求冷却后的水温比τ高3～5℃。(www.xing528.com)
当然，在水温t=τ时，两种传热量之间的平衡具有动态平衡的特征，这是因为不论是水的蒸发或是水气间的接触传热都没有停止，只不过由接触传热传给水的热量全部都被消耗在水的蒸发上，这部分热量又由水蒸气重新带回到空气中。
从而可见，蒸发冷却过程中伴随着物质交换，水可以被冷却到比用以冷却它的空气的最初温度还要低的程度，这是蒸发冷却所特有的性质。
当水温被冷却到冷却极限τ时，Qα和Qβ之间的平衡关系可用下式表示：
式中 Qα——水气间的接触传热量，kW；
α——接触传热时的换热系数，kW/（m2·℃）。
在冷水塔中，一般空气量很大，空气温度变化较小。当水温高于气温时，蒸发散热和接触传热都向同一方向（即由水向空气）传热，因而由水放出的总热量为
Q=Qβ+Qα
其结果是使水温下降。当水温下降到等于空气温度时，接触传热量Qα=0。这时
Q=Qβ
故蒸发散热仍在进行。而当水温继续下降到低于气温时，接触传热量Qα的热流方向从空气流向水，与蒸发散热的方向相反，于是由水放出的总热量为
Q=Qβ-Qα
如果Qβ＞Qα，水温仍将下降。但是Qβ渐趋减小，而Qα渐趋增加，于是当水温下降到某一程度时，由空气传向水的接触传热量等于由水传向空气的蒸发散热量，这时
Q=Qβ-Qα=0
从此开始，总传热量等于零，水温也不再下降，这时的水温为水的冷却极限。对于一般的水的冷却条件，此冷却极限与空气的湿球温度近似相等。因而湿球温度代表着在当地气温条件下，水可能冷却到的最低温度。水的出口温度越接近于湿球温度（τ）时，所需冷却设备越庞大，故在生产中要求冷却后的水温比τ高3～5℃。
当然，在水温t=τ时，两种传热量之间的平衡具有动态平衡的特征，这是因为不论是水的蒸发或是水气间的接触传热都没有停止，只不过由接触传热传给水的热量全部都被消耗在水的蒸发上，这部分热量又由水蒸气重新带回到空气中。
从而可见，蒸发冷却过程中伴随着物质交换，水可以被冷却到比用以冷却它的空气的最初温度还要低的程度，这是蒸发冷却所特有的性质。
当水温被冷却到冷却极限τ时，Qα和Qβ之间的平衡关系可用下式表示：
式中 τ——湿球温度，℃；
式中 τ——湿球温度，℃；
——温度为τ时的饱和水蒸气压力，Pa；
F——水气接触面积，m2。
为了推导和计算的方便，式（4.1）中的分压力差也可用含湿量差代替，但其中的βp应以含湿量差表示的传质系数βx代替，故式（4.1）可写成
——温度为τ时的饱和水蒸气压力，Pa；
F——水气接触面积，m2。
为了推导和计算的方便，式（4.1）中的分压力差也可用含湿量差代替，但其中的βp应以含湿量差表示的传质系数βx代替，故式（4.1）可写成
而Qα和Qβ间的平衡关系：
而Qα和Qβ间的平衡关系：
式中 βx——以含湿量差表示的传质系数，kg/（m2·s）；
——与τ相应的饱和空气含湿量，kg/kg；
x——空气的含湿量，kg/kg。
关于水在塔内的接触面积F，在薄膜式中，它取决于填料的表面积。而在点滴式淋水装置中，则取决于流体的自由表面积。然而具体确定此值是十分困难的，对某种特定的淋水装置而言，一定量的淋水装置体积相应具有一定量的面积，称为淋水装置（填料）的比表面积，以α（m2/m3）表示。因此实际计算中就不用接触面积而改用淋水装置（或填料）体积以及与体积相应的传质系数βxv和换热系数αv，于是
式中 βx——以含湿量差表示的传质系数，kg/（m2·s）；
——与τ相应的饱和空气含湿量，kg/kg；
x——空气的含湿量，kg/kg。
关于水在塔内的接触面积F，在薄膜式中，它取决于填料的表面积。而在点滴式淋水装置中，则取决于流体的自由表面积。然而具体确定此值是十分困难的，对某种特定的淋水装置而言，一定量的淋水装置体积相应具有一定量的面积，称为淋水装置（填料）的比表面积，以α（m2/m3）表示。因此实际计算中就不用接触面积而改用淋水装置（或填料）体积以及与体积相应的传质系数βxv和换热系数αv，于是
而总传热量为
而总传热量为
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