Esta relación se derivó de una observación empírica del enfriamiento convectivo de cuerpos calientes realizada por Isaac Newton en 1701, quien afirmó que «la tasa de pérdida de calor por un cuerpo es directamente proporcional al exceso de temperatura del cuerpo sobre la de su entorno.» En consecuencia, la temperatura de un objeto caliente (T1) que se está enfriando como consecuencia de la exposición a un flujo convectivo en T2 T1, variaría como:
Si la pérdida de energía del cuerpo caliente hacia el fluido más frío se repone con un flujo de calor q tal que T1 permanece constante, entonces la versión en estado estacionario de Ley de Newton de enfriamiento puede expresarse como
Esta ecuación de tasa se utiliza universalmente para definir el Coeficiente de Transferencia de Calor (α) para todos los flujos convectivos (libre, forzado, monofásico/multifásico, etc.) que impliquen calentamiento o enfriamiento. Hay que tener en cuenta que en algunos casos (α) depende de la temperatura y entonces
no es una función lineal de la fuerza motriz (T1 – T2). También hay que tener en cuenta que la fuerza motriz que la define varía de un sistema a otro (flujos de capa límite, flujos de tubos, etc.), pero la complejidad de cualquier proceso particular suele reflejarse en la formulación de la expresión para (α), cuyo valor depende de la naturaleza y las propiedades del sistema de flujo y oscila entre 10 W/m2K para la Convección Natural entre el aire y una placa vertical y 100.000 W/m2K para la Condensación por goteo de vapor de agua saturado en una placa vertical.
El estudio de la transferencia de calor por convección se ocupa, en última instancia, de encontrar el valor del coeficiente de transferencia de calor, definido por la Ley de Newton del enfriamiento, en función de los parámetros físicos del sistema de convección.