Когато някои от параметрите на една макросистема се изменят с течение на времето, казва се, че в системата протича процес. Например, ако обемът на дадено количество газ нараства, протича процес на разширение на газа, при който освен обемът могат да се изменят налягането, температурата и други параметри на газа. Един процес е равновесен, ако може да се представи като последователност от равновесни състояние, тоест когато параметрите на системата се променят толкова бавно, че можем във всеки момент от времето да смятаме, че системата се намира в равновесно състояние. Равновесните процеси се описват със същите параметри, както равновесното състояние. Ще обърнем внимание, че не всички много бавни процеси са равновесни. Например при определени условия топлообменът между две тела може да се извършва много бавно, но такъв процес никога не е равновесен, защото различните части от телата се намират при различна температура - докато се извършва топлообмен, системата от двете тела не е в топлинно равновесие.
Описването на неравновесните процеси е много по-сложно. Примери за неравновесни процеси са разширението на газ във вакуум, метаболизмът в клетките на живите организми и други. Неравновесни са и процесите на релаксация, чрез които една изолирана система, преминава в равновесно състояние. В действителност всички реални процеси са неравновесни - те протичат с крайни скорости, при което се нарушава равновесието. В много случаи обаче реалните процеси с приближение могат да се разглеждат като равновесни. Изучаването на равновесните процеси е важно и за това, че при тях редица величини достигат своите максимални стойности. При равновесен процес, една система върши максимална работа, а топлинните машини имат максимален коефициент на полезно действие. Затова чрез анализ на равновесните процеси се определя горната граница за параметрите на топлинните машини, което има голямо практическо значение.