蒸發散熱通過物質交換，即通過水分子不斷擴散到空氣中來完成。

水分子有著不同的能量，平均能量由水溫決定，在水表面附近一部分動能大的水分子克服鄰近水分子的吸引力逃出水面而成為水蒸氣，由于能量大的水分子逃離，水面附近的水體能量變小。

因此，水溫降低，這就是蒸發散熱。

一般認為蒸發的水分子首先在水表面形成一層薄的飽和空氣層，其溫度和水面溫度相同，然后水蒸氣從飽和層向大氣中擴散的快慢取決于飽和層的水蒸氣壓力和大氣的水蒸氣壓力差，即道爾頓（Dolton）定律，可用下圖表示此過程。

冷卻塔水蒸發過程工作原理圖