Echilibrul termic se realizează atunci când cantitatea de căldură care intră într-un sistem este egală cu cantitatea de căldură care iese din acesta. Temperatura generală a unui sistem în balanța termică rămâne stabilă în timp. În unele cazuri, termenul balanță energetică poate fi folosit în schimb. Sistemele din domeniile biologiei, geologiei, producției și proiectării navelor spațiale trebuie adesea menținute la temperaturi stabile pentru a funcționa corect.
Homeostazia la animale include conceptul de a menține temperatura internă a animalului relativ stabilă. În multe organisme, inclusiv mamifere și păsări, cantitatea de căldură care există în organism trebuie să rămână constantă, deoarece chiar și ușoare fluctuații de căldură pot cauza moartea organismului. Animalele pierd căldură prin piele și generează căldură prin metabolismul lor pentru a compensa creșterea și scăderea temperaturii exterioare. Când cantitatea de căldură radiată de animal și cantitatea de căldură generată sau absorbită de animal sunt relativ egale, acel animal este într-o stare de echilibru termic.
În geologie, termenul de echilibru termic se referă la cantitatea de căldură absorbită și eliberată de o întreagă planetă. O planetă este încălzită de soare și, într-o mică măsură, de eliberarea de magmă din miezul planetei. Planeta radiază o parte din această căldură înapoi în spațiu. Bilanțul termic este un concept important din punct de vedere geologic deoarece dacă planeta nu se află într-o stare de echilibru relativ în ceea ce privește căldura, temperaturile medii pot crește sau scădea, creând fie încălzirea globală, fie răcirea globală. Chiar și o ușoară modificare a echilibrului termic al unei planete poate afecta organismele care locuiesc pe planetă.
Echilibrul termic este un concept important în inginerie, deoarece multe mașini vor funcționa doar într-un anumit interval de temperatură. Dispozitivele numite radiatoare sunt folosite pentru a ajuta la radiarea surplusului de căldură din componentele electrice, astfel încât mașinile să poată menține o temperatură stabilă. De asemenea, navele spațiale trebuie să mențină temperaturi relativ stabile, dar sunt expuse la mai multă căldură pe măsură ce se deplasează către o sursă de căldură, cum ar fi soarele sau o planetă. Proiectarea acestor ambarcațiuni cu sisteme adaptabile de echilibrare a căldurii le permite să continue să funcționeze pe măsură ce călătoresc prin spațiu.
Atunci când inginerii proiectează fabrici, trebuie să se țină seama de echilibrul termic al operațiunilor fabricii. În multe cazuri, căldura este emisă dintr-o fabrică sub formă de fum sau abur. Acest lucru poate risipi energie pe care fabrica o poate recicla, contribuind la reducerea costurilor de operare. O fabrică cu un echilibru termic bun își găsește o utilizare pentru cea mai mare parte a căldurii suplimentare pe care o creează.