Cette relation a été dérivée d’une observation empirique du refroidissement par convection de corps chauds faite par Isaac Newton en 1701, qui a déclaré que « le taux de perte de chaleur par un corps est directement proportionnel à l’excès de température du corps au-dessus de celle de son environnement. » En conséquence, la température d’un objet chaud (T1) qui se refroidit suite à l’exposition à un flux convectif à T2 < T1, varierait comme :
Si la perte d’énergie du corps chaud vers le fluide plus froid est reconstituée par un flux thermique q tel que T1 reste constant, alors la version en régime permanent de la loi de refroidissement de Loi de Newton sur le refroidissement peut être exprimée comme
Cette équation de taux est universellement utilisée pour définir le coefficient de transfert de chaleur (α) pour tous les flux convectifs (libre, forcés, monophasés/multiphasés, etc.) impliquant un chauffage ou un refroidissement. Il faut noter que dans certains cas, (α) dépend de la température et alors
n’est pas une fonction linéaire de la force motrice (T1 – T2). Il convient également de noter que la force motrice déterminante varie d’un système à l’autre (écoulements en couche limite, écoulements en tube, etc.), mais la complexité de tout processus particulier se reflète généralement dans la formulation de l’expression de (α), dont la valeur dépend de la nature et des propriétés du système d’écoulement et varie de 10 W/m2K pour la convection naturelle entre l’air et une plaque verticale à 100 000 W/m2K pour la condensation goutte à goutte de vapeur d’eau saturée au niveau d’une plaque verticale.
L’étude du transfert de chaleur par convection consiste en définitive à trouver la valeur du coefficient de transfert de chaleur, défini par la loi de Newton sur le refroidissement, en fonction des paramètres physiques du système de convection.