在没有外界干预的情况下，如果系统的状态参数保持稳定而不随时间变化，就称该系统处于平衡状态。当然，这里所说的状态参数指的是宏观参数，如温度、压力、密度等。在微观层次，粒子总是在不停地运动，就没有所谓的平衡了。
系统状态不平衡一般是由某种状态参数的不均匀引起。比如压力不均匀会产生流动；密度不均匀会产生扩散，并且在重力的参与下可能引起自然对流；温度的不均匀会产生导热，还可能附带密度和压力不均匀从而引起流动。压力的自发均匀化现象称为力平衡过程，温度的自发均匀化现象称为热平衡过程。对于有相变和化学反应的情况，则还涉及相平衡和化学平衡。
判断系统是否处于平衡状态，需要看系统内部和边界上是否存在不平衡势差，比如温差、力差、化学势差等。有一些状态，系统中各部分的状态参数也不随时间变化，比如稳态导热过程或定常流动过程。但这只表明系统处于稳定的过程中，这个“稳定的过程”是在有外界干预（势差）下保持的，不是真正的平衡状态，如图1所示。
另外，处于平衡状态的系统中，参数也未必是均匀的。比如有相变的情况，水和水蒸气处于平衡状态，这时水和水蒸气的压力和温度都相同，但密度不同，比热容也不同。
我们所处的环境中重力是无处不在的一种外界作用，在重力作用下，气体内部不同高度处的压力和密度都有所差异。如果把重力当成是外界干预，那么我们这个星球上就几乎没有处于平衡状态的系统了。所以，工程热力学中一般不把重力算作外界干预，认为在重力作用下的平衡也是系统的平衡状态，这种平衡状态下的压力和密度是不均匀的。
当系统处于平衡状态时，可以用一些宏观的物理参数来描述它，最常见的状态参数是温度、压力和密度。当存在某种不平衡势差时，原有平衡被打破，系统的状态发生变化，变化过程称为热力过程，简称过程，图1给出了两种打破平衡产生过程的例子。
显然，一个过程中的任何状态都是不平衡的。而当系统处于不平衡状态，比如热不平衡时，其内部各处的温度是不均匀的，也就无法用一个统一的温度来描述这个系统。但我们经常需要用一系列的瞬间状态来描述某个过程，准静态过程就是为了这个目的而定义的。比如，对一个汽缸内部的气体进行压缩时，应该是接触到活塞那一层气体先被推动，所以注定会让这一层的气体比其余部分的气体密度、压力和温度都高一些。但实际上气体分子热运动的速度非常快，活塞产生的扰动会迅速地传遍整个汽缸内部（扰动以声速传播）。只要活塞运动的速度相对声速来说较小，就可以认为汽缸内部的气体是被同步压缩的，密度、压力和温度同步升高。这样，这个过程中的每一个时刻，都可以用统一的状态参数来描述整个汽缸内部气体的状态，这就是定义准静态过程的意义。
因此，一个过程是否可以看成是准静态的，要看过程发生的速度。从不平衡状态恢复到平衡状态所需经历的时间称为弛豫时间。如果一个系统的热力过程时间比弛豫时间长很多，使这个过程中的每个时刻系统都来得及达到近似的平衡状态，那这个过程就是准静态过程。也就是说，准静态过程中的每一个时刻，系统都可以看作是平衡状态的。
严格的准静态过程是不存在的，因为如果系统经历的每一个状态都是平衡态，那么系统就可以随意地停留在过程中的任何状态不动，过程也就不会发生了。所以，严格的准静态过程只能是静态的，也就不是过程，而是状态。一般所说的准静态过程是一种有发展方向的过程，只不过外界的势差影响趋于无穷小。
工程热力学中所讨论的过程基本都是准静态的，属于平衡态热力学，基本理论都是建立在对准静态分析的基础上的。但气体动力学处理的是高亚声速、跨声速和超声速流动等可压缩流动。这些流动中气体各部分的密度、压力和温度都不均匀，对应于不平衡状态。是不是平衡态热力学就不能应用于这些流动了呢？
实际上，一般的气体动力学理论都是建立在平衡态热力学的基础之上的。也就是说即使是超声速流动，只要马赫数不是太高，仍然可以把流动过程看成是准静态的。原因是在气体动力学中，并不像在工程热力学中那样把整个工质看成一个整体的系统，而是分割成小的气体微团来分析求解的。把每个气体微团看作一个小的微系统，各个微系统在流动过程中都是满足准静态的。
下面我们结合汽缸压缩的问题来解释一下。
对于汽缸压缩的问题来说，一般内燃机中的活塞运动速度大概是10 m/s，而汽缸中气体压力扰动的传播速度是声速，远大于活塞的速度。气体被压缩的时候，虽然理论上是挨近活塞的气体先被压缩，但很快就传遍全场，相当于是整个汽缸的气体压力同时升高。因此，可以把内燃机汽缸内的气体看成是一个闭口系统，共同经历一个压缩过程，这个过程是一个典型的热力学准静态过程。
如果活塞运动速度接近甚至超过声速会怎样呢？为了能简单而清楚地说明问题，可以把汽缸简化成一维细长的形状，如图3所示。活塞从左边以接近声速压缩气体或者使气体膨胀，挨近活塞的气体率先发生压缩和膨胀作用，汽缸左右两端之间形成压力差。整个汽缸内部的密度、压力和温度都是不均匀的。如果还把整个汽缸内的气体看成是一个闭口系统，这个闭口系统的状态参数就很难定义了。显然，这时的压缩过程就不是准静态过程了。
不过，在气体动力学中超跨声速流动很常见，而仍然使用平衡态热力学的参数来描述流动。这时，总是使用微分法来分析问题，关注流体微团，以微团为热力学系统，而不是把整个控制内的气体当成一个热力学系统。
图4给出了一维收缩管道中的高亚声速流动示意图。近似求解时可以把这个流动当作一维来看，即流动参数只沿流向变化，各个截面上的气体参数是均匀的。对于任一截面，取流向长度𝐝𝒙，把这个薄片看作一个开式的热力学系统，它的变化是满足准静态过程的。气体从进口到出口的流动过程中加速并膨胀，假设整个过程发生的时间为\(t_1\)。在这个过程中，气体每向下游走到一个新位置，环境压力和温度都比原来低，这个变化要从薄片的表面内传递直到整个薄片内均匀，这个传递时间就是弛豫时间，记为\(t_2\)。显然，\(t_2 \ll t_1\)，因为尺度𝐝𝒙比起管道的长度要小得多。弛豫时间是压力和温度在微尺度上的传播时间，要远小于气体从进口到出口的流动时间。
工程热力学中之所以要定义准静态过程，就是需要使用统一的参数来描述热力学系统。通过把选取薄片为系统，就使这个系统所经历的过程符合准静态过程了。显然这种一维方法有一定的误差，因为实际的收缩管道流动是三维流动，同一截面处，壁面附近和管道中心处的气体参数并不相同，精确的方法应该使用三维描述。
在三维流动中，把气体分成微团，每个微团无论是处于亚声速还是超声速流动中，其自身的密度、压力和温度等状态参数都可以认为是均匀的。这样，通过使用微分法，在气体动力学中就可以使用平衡态热力学的理论了。
系统从某一个状态开始，经过某一过程到达另一状态，如果存在另一过程，能使系统回到原来状态，同时也使环境恢复原状，则这样的两个过程互相称为可逆过程。如果无论采用何种办法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。
上面这个定义很难用于判断过程是否可逆，在一般的热力过程中，我们可以简单地说：无耗散的准静态过程是可逆过程。
需要注意的是，严格的准静态过程本身就不存在，并且任何流动过程中都会不可避免地有摩擦和掺混等耗散现象，所以可逆过程只能是一个理想过程，实际上是不存在的。但可逆过程有完整的理论体系和简洁的关系式，且很多实际过程都较为接近可逆过程，所以研究可逆过程是非常重要的。
很多时候我们依靠常识就可以判断过程是否可逆。如果把一个可逆过程录下来，然后倒序播放，看起来应该是合理的，而不可逆过程的倒放就会看起来很不合理。比如，单摆从高处加速下落的过程如果倒过来放，就是单摆的减速上升过程，是看不出来倒放的，因为这是一个可逆过程。而打破一个玻璃杯的过程如果倒着放，就很不可思议，因为这是一个不可逆过程。
一个放在平面上的小球处于随遇平衡状态，假设小球和平面之间无摩擦，环境的空气也无阻力，水平方向施加任意小的力，都可以让它缓慢地改变位置并在新的位置上平衡。反向施加任意小的力，又可以让小球缓慢地回到原来的位置。这种缓慢的过程显然是准静态过程，且过程中无耗散，所以这是一种是较为严格的可逆过程。
如果让支撑小球的平台缓慢地上升，并在新的位置上停下来。除了小球本身的重力势能增加了，小球和环境没有其它的变化。再让平台缓慢下降到原来的位置，小球的重力势能恢复到和原来一样，环境也没有变化。这种过程也是较为严格的可逆过程。
如果让小球做自由落体运动，那么下落过程似乎是不会自动反向发生的。但把自由落体运动录下来并倒序播放的话，我们会发现这也是一个可以理解的过程，就相当于上抛运动的前半段。因为这时我们不仅考察小球的位置，还要考虑小球的速度。把小球的动能也包含在内考虑，机械能是守恒的，而机械能守恒过程是可逆的。所以，自由落体运动是可逆过程。要想让自由落体运动的逆过程自动发生也容易，用一个完全弹性的小球，下面放一个完全弹性的地面，把它们放在抽成真空的大容器中，小球就会永远做往复弹跳运动，下落和弹回是一对逆过程。图5表示了自由落体运动、上抛运动和反复弹跳运动这几个过程。
实际上，所有理想的纯力学过程都是可逆过程。这可以从力学关系式中看出来，所有牛顿力学的关系式都是相对时间对称的，也就是说都可以反向发生。取一个纯力学过程中的任意状态，让所有速度反向，系统就会严格按照反向发生。
所谓的纯力学过程，就是不涉及热的过程。当存在摩擦力和空气阻力这些影响时，运动就不是纯力学过程了，而是伴随着热能的产生，这时过程就是不可逆的。自然界中不存在完全弹性体，即使没有摩擦和空气阻力，物体在受力变形的时候也会不可避免地把一部分机械能转化为热能，这种转化不是完全可逆的，所以，弹跳的小球注定会逐渐停下来，形成一个不可逆过程，如图6所示。
无黏不可压缩流动可以看作是一种纯力学过程，因为这种流动中的机械能守恒，不会产生或者消耗热能。流体即使和外界有热交换，也只影响流体的内能，而对其机械能没有影响，也就不会影响其流动状态。不过，传热是一种高温到低温的不可逆过程，所以要想让流动过程可逆，需要加上绝热这个条件，即：无黏不可压缩绝热流动是可逆过程，如图7所示。
无黏可压缩流动是气体动力学研究的主要流动，这种流动是可逆的吗？首先，我们前面已经证明了，采用微分方法分析问题的话，可压缩流动也基本满足准静态过程的要求，那只需要流动是无耗散的过程就是可逆的了。虽然压缩会使部分流体的机械能转化为内能，但膨胀时，这部分内能还可以完全转化为机械能，所以，可压缩流动也可以是可逆的，只需要加上无黏和绝热的条件就可以了。图7也可以适用于高亚声速的流动。
可以用气体做一个循环运动的装置来演示压缩和膨胀的可逆性，如图8所示，给汽缸加上连杆、曲柄和飞轮。一开始让汽缸内的气体压力比环境压力大，一旦放开，活塞就会在气体膨胀推动下向外运动，带动飞轮旋转，飞轮在惯性作用下又可以带动活塞压缩气体。如果这个系统和外界绝热，且过程中无摩擦，整个过程会不停地进行下去吗？
我们可以通过减小机械摩擦和抽真空等方法尽量减小机械能损耗，制造出可以运动很久的单摆。但对于汽缸+飞轮这样的装置，即使再想办法减小机械能损耗，也无法达到单摆那样的效果，一般循环不了几次就会停下来。原因是即使忽略了机械摩擦，这个过程也不是可逆过程。
把整个汽缸内的气体看作一个系统，就要求压缩可膨胀过程发生的非常缓慢才符合准静态过程的定义，这是因为速度太快的话汽缸内的气体参数会不均匀。不满足准静态过程，也就不能是可逆过程了。如果使用微分法，把汽缸内的气体分成很多微团，单独看来，每个微团的流动是可以满足准静态过程的。不过这时就必须考虑压缩过程中微团的流动了，而这种流动是非常复杂的，必然包含摩擦和掺混等耗散过程，如视频1所示，所以过程也不是可逆的。
正是因为气体可流动这种特点，气体构成的系统比起固体的系统来说更难满足可逆过程的要求。但正如前面所说，如果把研究对象定为气体微团，那么每个气体微团即使是高速运动，也仍然满足准静态过程。如果这个气体微团在运动过程中的黏性、导热和扩散作用都可以忽略的话，就基本满足可逆过程的条件。
最后来总结一下可逆流动的条件。
我们说，无耗散的准静态过程是可逆过程。研究可逆过程时，期间的任何一点都应该有确定的状态参数，即密度、压力、温度、焓和熵等都应该有确定的值，这时就要求过程必须是准静态过程。要满足准静态过程，核心要求就是系统的弛豫时间远小于过程变化时间。
对于常见的固体来说，运动过程中其内部可以保持均匀性，只有在碰撞时才会产生不均匀。比如橡胶球撞在壁面上时，变形较大，碰撞那一侧的应力更大一些，这时过程就不是准静态的了。如果是钢球，变形很小，就更符合准静态一些。所以，钢和钢碰撞比起橡胶和橡胶碰撞更接近于可逆的弹性碰撞，用钢球和钢壁面做实验，可以弹跳得更久一些。
相对来说，流体更容易变形一些，要想让流动满足准静态过程，通常有两条途径：一个是过程进行得非常缓慢，一个是选取气体微团为研究对象。总之，是让系统内部一直保持平衡状态。
耗散是气体输运作用产生的（黏性、导热和扩散），可以分为两种，一个是系统内部从非平衡到平衡的过程引起的耗散，另一个是系统与外界之间的耗散。如果采用微分法，系统是一个流体微团，其内部的参数被当作是均匀的，于是耗散就只发生于系统和外界之间。
在分析实际的工程问题时，要求过程发生的非常缓慢是没有意义的，因为实际的过程都不是缓慢发生的。所以气体动力学采用微分法，以气体微团为研究对象，当无黏且绝热时，就可以认为过程是可逆的，从而根据等熵关系式得出很多有用的结论。