第二種類型的冷卻，是使用一種稱為冷媒的工作流體，把它放入一個密閉的迴路當中，進行一連串的循環步驟。首先需要提供能量以壓縮氣體到較高的壓力，此時溫度伴隨升高，熱量隨之傳遞到周遭，因而造成冷凝變為液體，再經節流閥減壓繼續降溫，待降到比環境溫度更低時，冷藏室溫度即可降下來，也就是把冷藏室的熱量移走，於是冷媒流體又蒸發為氣體，完成一整圈的循環。在這個程序中，輸入的功是W，移除的熱量是Q1，所以可以定義一個效率值Q1／W，即「表現係數（coefficient of performance）」或稱「能源轉換效率」，。因為移除的熱量來自液體蒸發，其數值可以很大，所以這個數值會大於1，一般在2～7之間，當然此值是越高越好。空調與食物保鮮、冷凍是這一類的主要用途，在這一類的設備中， 經常可以看到一片一片的散熱片，以提供較大的表面，幫助熱量的傳遞。
一九七二年荷登（H. B. Holden）及色格（Brit J. Surg）合作開發出早期的冷凍探針，藉著通入氧化氮來產生冷凍效應。氧化氮的沸點是攝氏零下88.4度，熔點是攝氏零下90.8度，入口處是攝氏零下20度，由於焦耳—湯普森效應，在氣體噴出口（尖端）可達攝氏零下80度的低溫，而後因吸熱而在出口處升溫到攝氏零下10度。若無焦耳—湯普森效應，恐無法形成低於攝氏零下40度的溫度，而氣體噴出口大約只能達到攝氏零下15度，這溫度是無法完全殺死癌細胞的。
