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，藉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燕發的機理是這樣的，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。