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Kältemittel transportieren Enthalpie (das heißt Wärmeenergie) von dem Kühlgut zur Umgebung.

Der Unterschied zum Kühlmittel ist, dass ein Kältemittel in einem Kältekreis dies entgegen einem Temperaturgradienten tun kann, so dass unter Aufwendung von zugeführter Energie (meist Volumenänderungsarbeit in Form von Kompression) die Umgebungstemperatur sogar höher sein darf als die Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes, während ein Kühlmittel lediglich in der Lage ist, in einem Kühlkreis die Enthalpie entlang des Temperaturgradienten zu einer Stelle niedrigerer Temperatur zu transportieren.

Nach DIN EN 378-1 Abs. 3.7.1 ist das Kältemittel definiert als „Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen.“

bzw. nach DIN 8960 Abs. 3.1 als „Arbeitsmedium, das in einem Kältemaschinenprozess bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt.“ Die Definitionen nach DIN beziehen sich auf Kompressions-Kältemaschinen. Als Zustandsänderung im Sinne der Norm ist eine Änderung des Aggregatzustandes gemeint (siehe Kältemaschine).

Kältemittel werden in geschlossenen oder offenen Kälteanlagen als Arbeitsmedium eingesetzt. Während bei Kältemitteln im engeren Sinne latente Wärme durch Verdampfung bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur aufgenommen wird, geschieht dies in einer Kältemischung chemisch durch eine Mischungs- oder Lösungsreaktion. Die Regeneration erfolgt daher bei Kältemitteln durch Verflüssigung (in einem Verdichter mit nachfolgendem Verflüssiger), bzw. bei Stoffpaaren von Kältemitteln durch Entmischung (in einem „thermischen Verdichter“ einer Absorptionskältemaschine).

Ammoniak, Kohlenstoffdioxid und Wasser, aber auch Kohlenwasserstoffe und Luft werden, im Gegensatz zu halogenierten Kohlenwasserstoffen, auch als natürliche Kältemittel bezeichnet. Halogenkohlenwasserstoffe sind Substanzen, die auch in der Natur vorkommen. Sie werden sowohl von Mikroorganismen und Pflanzen als auch infolge vulkanischer Aktivität in nicht unerheblichen Mengen freigesetzt. Natürliche Kältemittel tragen nicht zum Abbau der Ozonschicht bei und haben nur einen vergleichsweise geringen direkten Einfluss auf den Treibhauseffekt.

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