Переохлаждение, охлаждение вещества ниже температуры его равновесного фазового перехода в другое агрегатное состояние или в другую кристаллическую модификацию, не приводящее к фазовому переходу. Переохлажденное вещество находится в неустойчивом, метастабильном состоянии. Фазовые переходы, связанные с отдачей теплоты (конденсация, кристаллизация, полиморфные превращения), на начальной стадии требуют, как правило, некоторого Переохлаждение, содействующего возникновению зародышей новой фазы – мельчайших капель или кристалликов. Образование зародышей при температуре фазового перехода затруднено тем, что они, обладая повышенным давлением или растворимостью, не могут находиться при этой температуре в равновесии с исходной фазой. В условиях, когда возникновение и рост зародышей новой фазы затруднены (перекристаллизация в твёрдой фазе, кристаллизация очень вязкой жидкости и др.), глубоким переохлаждением можно получить практически устойчивую фазу со структурой, характерной для более высоких температур. На этом основаны, например, закалка сталей и получение стекла. Степень переохлаждения водяного пара в атмосфере влияет на характер выпадающих осадков (дождь, снег, град).

Глубокое охлаждение осуществляют следующими способами: охлаждение газа при его дросселировании (Джоуля – Томсона эффект); расширение газа или пара с совершением внешней работы; адиабатическое размагничивание (Магнитное охлаждение), последний способ используется для создания сверхнизких температур. Основное назначение Глубокое охлаждение – сжижение газов и разделение газовых смесей. Важнейшее из них – разделение воздуха на составные части. Воздухоразделительные установки производят: технический кислород (О₂ – 99,2, 99,5 и 99,7%), технологический кислород (O₂ – 95%) и чистый азот (N₂ – 99,998%). Различают 3 типа воздухоразделительных установок для получения: газообразного кислорода под атмосферным давлением, газообразного кислорода под повышенным давлением и жидкого кислорода или жидкого азота. Одновременно на установках, применяя соответствующие устройства, можно получать сырой аргон, первичный концентрат криптона, а также неоно–гелиевую смесь. Большое значение Глубокое охлаждение имеет при извлечении гелия из природных газов, при разделении коксового газа, газов крекинга и пиролиза нефти.

Жидкий азот широко применяется в медицине и биологии для консервации и длительного (до нескольких лет) хранения крови, костного мозга, кровеносных сосудов и мышечной ткани; используется при хранении и перевозке пищевых продуктов в автомобильных и ж.–д. холодильниках, где он заменяет ледо–соляные охладители и холодильные установки умеренного холода. В 60 – начале 70–х гг. крупнейшим потребителем сжиженных газов стала ракетная техника. Ежемесячная потребность жидкого кислорода для этих целей в США превышает 4 тыс. т. Применение жидкого водорода в качестве топлива и жидкого кислорода в качестве окислителя позволяет довести удельный импульс ракетного двигателя до 450 сек вместо 280 сек. Разрабатывается возможность использования шугообразного водорода и атомарного водорода, который может храниться в твёрдом состоянии при температуре 4,2 К. Весьма перспективны для повышения удельной тяги жидкий озон и фтор. Важное значение имеет Глубокое охлаждение в атомной технике, где важнейший продукт ядерной энергетики – дейтерий – получается по методу низкотемпературной дистилляции. Жидкие водород и ксенон в ядерной технике служат для заполнения пузырьковых камер. Жидкий гелий, водород и неон находят широкое применение в криогенной вакуумной технике. Для глубокого охлаждения различных сред всё большее распространение получают микрокриогенные охлаждающие устройства. С их помощью производится охлаждение до температуры 77–1,7 К, например, детекторов инфракрасного излучения, квантовых генераторов (лазеров), чувствительных полупроводниковых приборов, в том числе электронных вычислительных машин, сверхпроводящих устройств, антенн и др. радиоэлектронных систем космической техники и сверхдальней связи. Применяются микрокриогенные устройства дроссельного и машинного типа с компрессором и детандером. Микроохладитель такого типа, свободно помещающийся на ладони, обеспечивает холодопроизводительность в несколько вт, масса его 200–300 г. Разрабатываются микрокриогенные системы, источником охлаждения в которых служат сублимирующие отверждённые газы – метан, азот, аргон или водород.

Перспективно применение Глубокое охлаждение в энергетике. Охлаждение проводников электрических турбогенераторов, электродвигателей, трансформаторов, магнитов и накопителей энергии позволяет в несколько (5–6) раз уменьшить массу этих машин и габаритные размеры, увеличить единичную мощность, резко уменьшить электрическое сопротивление (до 800 раз). Глубокое охлаждение сверхдальних электрических линий передач, например из Сибири в Европу, позволит значительно сократить массу электрических проводов, уменьшить расход энергии на омическое сопротивление и рассеяние в атмосферу, а также увеличить мощность передаваемой энергии за счёт увеличения плотности тока. Общая стоимость энергетической установки со сверхпроводниками и системой охлаждения, например крупного сверхпроводящего солениода, в 2–10 раз меньше обычной.
Весьма перспективно использование сжиженных газов (например, водорода и кислорода) в электрохимических генераторах (топливных элементах).