Diese Beziehung wurde aus einer empirischen Beobachtung der konvektiven Abkühlung von heißen Körpern abgeleitet, die Isaac Newton 1701 machte, der feststellte, dass „die Geschwindigkeit des Wärmeverlustes eines Körpers direkt proportional zur Übertemperatur des Körpers über der seiner Umgebung ist.“ Demnach würde sich die Temperatur eines heißen Objekts (T1), das sich infolge der Einwirkung einer konvektiven Strömung bei T2 < T1 abkühlt, wie folgt verändern:
Wenn der Energieverlust vom heißen Körper an das kühlere Fluid durch einen solchen Wärmestrom q wieder aufgefüllt wird, dass T1 konstant bleibt, dann gilt die stationäre Version des Newtons Abkühlungsgesetz wie folgt ausgedrückt werden
Diese Ratengleichung wird allgemein verwendet, um den Wärmeübergangskoeffizienten (α) für alle konvektiven Strömungen (frei, erzwungene, ein-/mehrphasige, etc.), die entweder Erwärmung oder Abkühlung beinhalten. Es ist zu beachten, dass in einigen Fällen (α) temperaturabhängig ist und dann
keine lineare Funktion der treibenden Kraft (T1 – T2) ist. Es sollte auch beachtet werden, dass die definierende treibende Kraft von System zu System (Grenzschichtströmungen, Rohrströmungen usw.) variiert, aber die Komplexität eines bestimmten Prozesses spiegelt sich normalerweise in der Formulierung des Ausdrucks für (α) wider, dessen Wert von der Art und den Eigenschaften des Strömungssystems abhängt und von 10 W/m2K für natürliche Konvektion zwischen Luft und einer vertikalen Platte bis zu 100.000 W/m2K für tropfenweise Kondensation von gesättigtem Wasserdampf an einer vertikalen Platte reicht.
Bei der Untersuchung der konvektiven Wärmeübertragung geht es letztlich darum, den Wert des Wärmeübergangskoeffizienten, wie er durch das Newtonsche Kühlungsgesetz definiert ist, in Bezug auf die physikalischen Parameter des Konvektionssystems zu finden.