Gran parte delle reazioni industriali, come nitrazioni, solfonazioni, polimerizzazioni, ossidazioni e idrogenazioni, libera calore. In un reattore questo calore viene asportato tramite camicia, serpentini, scambiatori esterni o evaporazione del solvente. Finché il calore asportato eguaglia quello generato, la temperatura resta stabile. Il problema nasce dal fatto che le due grandezze crescono in modo diverso al salire della temperatura.
La velocità di reazione, e quindi la potenza termica generata, segue la legge di Arrhenius: cresce in modo esponenziale, e una regola pratica indica un raddoppio circa ogni dieci gradi. Il calore asportato dal sistema di raffreddamento cresce invece in modo approssimativamente lineare con la differenza di temperatura tra massa e fluido refrigerante. Il diagramma di Semenov rappresenta le due curve: esiste un punto di equilibrio stabile e, oltre una temperatura critica, un punto in cui la curva esponenziale supera definitivamente la retta. Superato quel punto, ogni grado in più genera ancora più calore e il sistema non può più essere riportato sotto controllo con il solo raffreddamento.
Da qui deriva un concetto chiave: la sicurezza termica dipende dal margine tra temperatura di processo e temperatura critica. Questo margine si riduce quando il coefficiente di scambio peggiora, per incrostazioni sulla camicia o agitazione insufficiente, e quando si passa di scala: aumentando le dimensioni del reattore, il volume cresce più rapidamente della superficie di scambio, e una reazione tranquilla in laboratorio può diventare critica in produzione.