Questa relazione è stata derivata da un’osservazione empirica del raffreddamento convettivo dei corpi caldi fatta da Isaac Newton nel 1701, che ha affermato che “il tasso di perdita di calore da parte di un corpo è direttamente proporzionale all’eccesso di temperatura del corpo rispetto a quella dei suoi dintorni”. Di conseguenza, la temperatura di un oggetto caldo (T1) che si sta raffreddando in seguito all’esposizione a un flusso convettivo a T2 < T1, varierebbe come:
Se la perdita di energia dal corpo caldo al fluido più freddo è compensata da un flusso di calore q tale che T1 rimane costante, allora la versione stazionaria della Legge di Newton sul raffreddamento può essere espressa come
Questa equazione del tasso è universalmente usata per definire il coefficiente di trasferimento del calore (α) per tutti i flussi convettivi (libero, forzato, mono/multifase, ecc.) che coinvolgono sia il riscaldamento che il raffreddamento. Va notato che in alcuni casi (α) dipende dalla temperatura e quindi
non è una funzione lineare della forza motrice (T1 – T2). Si dovrebbe anche notare che la forza motrice che definisce varia da sistema a sistema (flussi di strato limite, flussi di tubi, ecc.), ma la complessità di ogni particolare processo si riflette di solito nella formulazione dell’espressione per (α), il cui valore dipende dalla natura e dalle proprietà del sistema di flusso e varia da 10 W/m2K per la convezione naturale tra aria e una piastra verticale a 100.000 W/m2K per la condensazione a goccia di vapore acqueo saturo su una piastra verticale.
Lo studio del trasferimento di calore convettivo si occupa in definitiva di trovare il valore del coefficiente di trasferimento di calore, come definito dalla legge di Newton del raffreddamento, in termini di parametri fisici del sistema di convezione.