从热力学角度，无填料喷雾冷却塔和传统填料冷却塔都属于湿式冷却塔，主要通过水与空气直接接触时的热湿交换进行热量传递。热湿交换的结果是热量由水传给空气，水温下降，空气温度和含湿量增加。

由热力学理论可知，温差是传热过程的推动力，而水蒸汽分压力则是湿（质）交换的推动力。空气与水接触时，部分水吸收主体水的热量，蒸发形成水蒸汽，水蒸汽很快进入附近空气中，在水表面形成饱和空气边界层。饱和空气边界层和主流水之间存在热传导，同时与主流空气之间存在分子扩散和紊流扩散。正是这些扩散作用，使得边界层的饱和空气与主流空气不断掺混，主流空气越来越接近饱和状态，因此，水与空气的热湿交换过程可以视为水蒸发吸热过程、水与饱和空气边界层之间的导热过程和主流空气与边界层空气不断混合过程的叠加。定与空气接触的水质量无限大，空气与水的接触时间无限长，即在所谓极限条件下，那么全部空气都能达到等于水温的饱和状态。而在冷却塔系统中，极限情况就是水温降低到进入冷却塔的空气初状态下的湿球温度。