Hai vật thể tiếp xúc với nhau ở trạng thái cân bằng nhiệt khi chúng đạt đến cùng nhiệt độ và sự trao đổi nhiệt năng không còn xảy ra. Theo HyperPhysics, quan hệ của cân bằng nhiệt tuân theo giá trị 0 Định luật Nhiệt động lực học, phát biểu rằng "nếu hai hệ đồng thời ở trạng thái cân bằng nhiệt với hệ thứ ba, thì chúng ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau."
Khi một vật nóng hơn được đặt tiếp xúc với một vật lạnh hơn, vật nóng hơn sẽ truyền nhiệt năng cho vật lạnh hơn. Quá trình này làm cho vật nóng hơn nguội đi và vật lạnh hơn trở nên ấm hơn.
Sự trao đổi năng lượng này tiếp tục cho đến khi hai vật có cùng nhiệt độ hoặc ở trạng thái cân bằng.
Để minh họa điều này, hãy lấy ví dụ một cốc nước nóng (hệ thống A) và một cốc nước lạnh (hệ thống B) được để trong phòng (môi trường xung quanh). Quá trình xảy ra giữa cốc nước nóng (hệ A) và căn phòng (môi trường xung quanh) là tỏa nhiệt vì nhiệt năng bị mất đi. Ngược lại, quá trình xảy ra giữa cốc nước lạnh (hệ thống B) và căn phòng (môi trường xung quanh) là quá trình thu nhiệt vì nhiệt năng bị cốc nước lạnh hấp thụ. Cuối cùng, cả ba người đều đạt đến cùng một nhiệt độ, nhiệt độ của căn phòng.
Điều quan trọng cần lưu ý là bất cứ khi nào đặt hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau, năng lượng từ vật ấm hơn luôn chuyển sang vật lạnh hơn. Về mặt này, hướng truyền năng lượng không phụ thuộc vào lượng năng lượng mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
