Η θερμοδυναμική ισορροπία περιγράφει ένα σύστημα του οποίου οι ιδιότητες δεν θα αλλάξουν χωρίς κάποιου είδους εξωτερική παρεμβολή. Με άλλα λόγια, ένα σύστημα σε θερμοδυναμική ισορροπία δεν θα αλλάξει αν δεν προστεθεί ή αφαιρεθεί κάτι από αυτό. Ένα παράδειγμα αυτού είναι ένα χλιαρό ρόφημα. Το ρόφημα μπορεί να ξεκίνησε κρύο, αλλά η θερμότητα από τον αέρα θα μεταφερθεί στο κρύο ρόφημα και θα το κάνει πιο ζεστό μέχρι να φτάσει στην ίδια θερμοκρασία με τον αέρα – φτάνοντας έτσι σε θερμοδυναμική ισορροπία. Επιπλέον, επειδή η θερμότητα μετακινείται από τον αέρα στο ρόφημα, ο αέρας ακριβώς γύρω από το κύπελλο θα γίνει επίσης πιο δροσερός.
Η διαδικασία που χρησιμοποιεί ένα σύστημα για να φτάσει σε θερμοδυναμική ισορροπία περιγράφεται σε δύο νόμους της φυσικής: τον Πρώτο Νόμο της Θερμοδυναμικής και τον Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής. Ο πρώτος νόμος λέει ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί, μπορεί μόνο να μεταφερθεί. Ο δεύτερος νόμος λέει ότι σε ένα απομονωμένο σύστημα, η εντροπία θα αυξάνεται μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία. Αυτή είναι η ουσία της θερμοδυναμικής ισορροπίας. Για να φτάσει ένα αντικείμενο σε θερμοδυναμική ισορροπία, πρέπει να πληρούνται τρεις προϋποθέσεις: χημική ισορροπία, μηχανική ισορροπία και θερμική ισορροπία.
Η μηχανική ισορροπία περιγράφει τι συμβαίνει όταν δεν υπάρχουν μη ισορροπημένες δυνάμεις σε ένα σύστημα ή με ένα σύστημα και το περιβάλλον του. Αυτό σημαίνει ότι οι δυνάμεις πρέπει να είναι ίσες σε ένα σύστημα και σε ένα σύστημα και στα περίχωρά του. Μια τέτοια δύναμη είναι η πίεση. Εάν η πίεση είναι ίδια στο σύστημα και με το σύστημα και το περιβάλλον του, επιτυγχάνεται μηχανική ισορροπία. Εάν δεν υπάρχει μηχανική ισορροπία, το σύστημα θα προσπαθήσει να φτάσει σε ισορροπία.
Για να είναι ένα σύστημα σε χημική ισορροπία, δεν πρέπει να γίνονται καθαρές χημικές αντιδράσεις. Σε ορισμένα συστήματα αυτό μπορεί να σημαίνει ότι οι χημικές αντιδράσεις έχουν σταματήσει. Ωστόσο, σε άλλα συστήματα αυτό μπορεί να σημαίνει ότι ένα σύστημα έχει φτάσει σε δυναμική ισορροπία. Η δυναμική ισορροπία περιγράφει μια κατάσταση στην οποία οι αντιδράσεις προς τα εμπρός και εφεδρικές συμβαίνουν με τέτοιο τρόπο ώστε η καθαρή ποσότητα των αντιδρώντων να παραμένει αμετάβλητη. Στη χημική ισορροπία, είναι επίσης απαραίτητο η ύλη να μην μετακινείται από τη μια περιοχή στην άλλη, όπως αυτό που συμβαίνει όταν λαμβάνει χώρα η διάχυση.
Όταν ένα αντικείμενο βρίσκεται σε θερμική ισορροπία, οι θερμοκρασίες πρέπει να είναι οι ίδιες. Το παράδειγμα του χλιαρού ροφήματος είναι ένα παράδειγμα συστήματος που φτάνει σε θερμική ισορροπία. Όταν ένα αντικείμενο έρχεται σε θερμική επαφή με ένα άλλο αντικείμενο, όπως ο αέρας, η θερμότητα θα μετακινηθεί από υψηλότερη συγκέντρωση σε χαμηλότερη συγκέντρωση – δηλαδή από ζεστό στο κρύο. Παρεμπιπτόντως, αυτό σημαίνει ότι ο πάγος δεν δροσίζει ένα ποτό αλλά μάλλον το ποτό θερμαίνει τον πάγο. Η θερμότητα θα συνεχίσει να κινείται από υψηλή συγκέντρωση σε χαμηλή έως ότου και τα δύο αντικείμενα βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία και επιτευχθεί η θερμική ισορροπία.