Eine Kältemaschine ist eine Vorrichtung, mit deren Hilfe unter Arbeitsaufwand Wärme von einem kälteren Körper auf einen wärmeren Körper übertragen wird (würde sie es ohne Arbeitsaufwand tun, wäre sie ein Perpetuum mobile 2. Art und würde den 2. Hauptsatz der Wärmelehre verletzen). Eine Kältemaschine ist also im Prinzip eine Wärmekraftmaschine in umgekehrter Arbeitsrichtung.
Die häufigste Form einer Kältemaschine ist der Kühlschrank. Dieser arbeitet hauptsächlich nach dem Kompressorprinzip: Ein gasförmiges Kältemittel (z. B. Isobutan) wird durch eine elektrisch betriebene Pumpe, den Kompressor, zusammengepresst und gelangt stark erhitzt in einen luft- oder wassergekühlten Verflüssiger. Hier wird die Überhitzungswärme an die Umgebung (also die Küchenluft) abgeführt, und das Kältemittel verflüssigt sich. Anschließend fließt es durch eine Rohrleitung in das Innere des Kühlschranks, dessen Temperatur erniedrigt werden soll. Dort wird das flüssige Kältemittel in der sog. Drossel „entspannt“, d. h. auf einen viel geringeren Druck gebracht und in den Verdampfer geleitet, dessen Rohre sich durch den Kühlraum schlängeln. Hier entzieht das Kältemittel dem Kühlraum und durch Konvektion auch dem darin befindlichen Kühlgut Wärme und geht dabei in der Rohrleitung in den gasförmigen Zustand über. Danach wird das Kältemittelgas in den Kompressor zurückgesaugt, wo der Kreislauf von Neuem beginnen kann.
Ein anderes Beispiel eine Kältemaschine sind Wärmepumpen, welche Wärmeenergie aus der Umgebung (Luft, Boden, Grundwasser) in die zu heizenden Räume eines Hauses (20 °C oder mehr) „pumpen“.
In der modernen Tieftemperaturphysik gelangt man mit dem beschriebenen und anderen Verfahren bis hinunter zu Temperaturen von unter 1 nK.
