Quá trình thuận nghịch là quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 và ngược lại từ trạng thái 2 sang trạng thái 1 qua tất cả các trạng thái trung gian mà quá trình thuận đã đi qua.
Như thế quá trình thuận nghịch cũng là quá trình cân bằng. Quá trình cân bằng là chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng. Ở trạng thái cân bằng các thông số trạng thái của hệ hoàn toàn xác định. Ở trạng thái không cân bằng thì không thể xác định các thông số trạng thái của hệ, hay nói khác các thông số trạng thái của hệ sẽ khác nhau ở các điểm khác nhau của hệ; khi hệ thay đổi trạng thái thì không thể lặp lại trạng thái ban đầu được. Như vậy trong quá trình thuận nghịch không thể có trạng thái nào không cân bằng. Nói khác quá trình thuận nghịch là quá trình cân bằng.
Nếu biểu diễn trên giản đồ trạng thái quá trình thuận nghịch thì đồ thị của quá trình thuận và đồ thị của quá trình nghịch sẽ trùng nhau. Công và nhiệt hệ nhận được trong quá trình nghịch bằng công và nhiệt hệ cấp cho bên ngoài trong quá trình thuận.
Như thế đối với quá trình thuận nghịch, khi hệ trở về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh không thể xảy ra một biến đổi nào. Trong thực tế thường xảy ra các quá trình mà hệ biến đổi qua một số trạng thái không cân bằng. Quá trình này gọi là quá trình không thuận nghịch. Như thế ta có định nghĩa :
Quá trình không thuận nghịch là quá trình khi tiến hành theo chiều nghịch, hệ không qua đầy đủ các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận.
Đối với quá trình không thuận nghịch, công và nhiệt hệ nhận được từ bên ngoài trong quá trình nghịch không bằng công và nhiệt hệ cấp cho bên ngoài trong quá trình thuận. Như vậy trong quá trình không thuận nghịch khi hệ trở về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh bị biến đổi.