Trong nhiệt động lực học, trạng thái cân bằng được duy trì giữa các thành phần của một hệ thống hoặc giữa nhiều hệ thống khi sự trao đổi ròng của năng lượng cơ học, hóa học và nhiệt năng giữa các thành phần bằng không. Các hệ thống ở trạng thái cân bằng không có vĩ mô thực dòng chảy của bất kỳ dạng vật chất hoặc năng lượng nào.
Hệ thống cô lập là hệ thống không có tương tác tầm xa với môi trường xung quanh. Nó hoàn toàn được che chắn khỏi mọi trao đổi khối lượng và năng lượng với thế giới bên ngoài. Một hệ thống nhiệt động cô lập như vậy được cho là ở trạng thái cân bằng khi nó đẳng nhiệt và đẳng tích. Tất cả các điểm trong hệ thống có cùng nhiệt độ và áp suất. Hệ thống cũng đồng nhất về mặt không gian về tất cả các khía cạnh khác; không có gradient nồng độ giữa các thành phần khác nhau tạo nên hệ thống.
Nhiều hệ thống ở trạng thái cân bằng là phần mở rộng của các hệ thống đơn lẻ; chúng cũng không có bất kỳ sự trao đổi ròng nào của các thuộc tính vật lý từ hệ thống này sang hệ thống khác. Định nghĩa của các hệ đơn giản như vậy ở trạng thái cân bằng là định luật 0 của nhiệt động lực học.
Các hệ thống không ở trạng thái cân bằng có xu hướng tiến tới trạng thái cân bằng. Ví dụ, một thanh kim loại nóng ở một đầu và lạnh ở đầu kia có thể được xem như một hệ không ở trạng thái cân bằng nhiệt. Nếu thanh được cách nhiệt hoàn toàn để chống lại sự mất mát năng lượng của môi trường thì nhiệt sẽ tự phân bố lại cho đến khi toàn bộ thanh ở cùng nhiệt độ.
