是傳熱學的基本定律之壹，用於計算對流熱量的多少。
如圖所示：
溫差Δt＝|tw-tf|
q＝hΔt
Φ＝qA＝AhΔt＝Δt/(1/hA)
其中的1/hA 稱為對流傳熱熱阻
字母代碼：
q為熱流密度
h為物質的對流傳熱系數
Φ為傳熱量A為傳熱面積
壹個熱的物體的冷卻速度與該物體和周圍環境的溫度差成正比。
即 -dT/dt=(T-Tc)/τ
式中，
-dT/dt——物體的溫度隨時間下降的速度，負號表示物體的溫度是下降的
τ——物體的溫度從T 下降到環境溫度Tc實際所需要的弛豫時間
在微分條件下，-dT/dt和(T-Tc)/τ
是微線性關系。這是微線性思維的典範之壹。
牛頓冷卻定律的這個微分方程沒有考慮物體的性質，所以這不是物性方程式。它只是關於壹個假想物體，其溫度隨時間單純下降的壹個數學微分方程。與其叫“牛頓冷卻定律”，毋寧叫“牛頓冷卻定理”更準確。不過，這個明顯的缺點，反而是最大的優點。它的無比抽象性在宣告：“這是任何物體冷卻的***同遵守的數學規律！”。
實驗表明，物體的溫度隨時間下降的速度和物體的結構以及理化性質並非完全無關。尤其是急速冷卻的條件下，我們可以修改線性“牛頓冷卻定理”，給它添加若幹個非線性的項就可以了解決實際問題了。
這也告訴我們上面的微線性牛頓冷卻定律至少不適用於描寫那些急速溫度變化的物理現象。
解方程可得牛頓冷卻定律的積分形式為
Δt=t-to=τln(To-Tc)/(T-Tc)
或者 exp(Δt/τ)=To-Tc/T-Tc
式中，To——為物體在初始時刻to的溫度
Δt>0,這是必然的。為此，必然有 To>T>Tc 。
這就是說，物體的起始溫度To必然大於它最後的冷卻溫度T；物體最後的冷卻溫度T不能比環境溫度更低Tc，而且也不能被冷卻到和環境溫度壹樣低。我們可以假設最後的冷卻溫度非常接近環境溫度，
這時，T-Tc=ΔT，ΔT>0,且ΔT→0。也就是說，溫度ΔT是壹個極小的正值。
設熱水的冷卻方程為：exp(Δt/τ)=To-Tc/T-Tc
設冷水的冷卻方程為：exp(Δt`/τ`)=To`-Tc`/T`-Tc`
假設，熱水和冷水的起始時刻壹致to=to`，冷卻的環境溫度壹致Tc=Tc`，熱水比冷水的起始溫度高，To>To`，熱水和冷水最後的狀態幾乎壹致，即熱水和冷水最後的溫度與環境的溫度差無窮逼近——即近似相等，ΔT=T-Tc=ΔT`=T`-Tc 。
熱水和冷水方程之比：exp(Δt/τ)/exp(Δt`/τ`)=To-Tc/To`-Tc
=exp(C)>1 (即 C>0)
於是，Δt/τ - Δt`/τ` = C
Δt=(τ/τ`)Δt`+ C
這是壹個截距和斜率都為正值的直線方程，
如果熱水比冷水先結冰，Δt<Δt`，必須有 τ<τ` 。即斜率τ/τ`<1。
如果冷水比先熱水結冰，Δt>Δt`，必須有 τ>τ` 。即斜率τ/τ`>1。
這個結果表明：牛頓冷卻定律並不能直接用來判斷熱水和冷水誰先結冰。
而且熱水和冷水無論誰先結冰，都不會影響牛頓冷卻定律的正確性。