兩個系統間的熱平衡
一個處於任意平衡狀態的系統，在沒有巨觀功的條件下，靠系統與外界直接相互作用以改變系統狀態的方式稱熱接觸（或熱交換）。兩個熱力學系統進行熱接觸時，系統原來的平衡狀態一般都將發生變化；經過足夠長的時間之後，系統的狀態不再發生變化；這時可以認為兩個系統處於熱平衡。如果兩個系統熱接觸時，狀態沒有發生變化，則說明兩個系統已是互為熱平衡的。可以認為互為熱平衡的兩個系統的冷熱程度相同。
三個系統間的熱平衡
若有A、B、C三個處於任意確定的平衡態的系統,而系統A和系統B是互相絕熱的。令A和 B同時與系統C相互熱接觸，經過足夠長的時間後,A和B都將與C達到熱平衡。這時使A和B不再絕熱而相互熱接觸，實驗證明，A和B的狀態都不發生變化，即A和B也是處於熱平衡的。此實驗事實說明，如果兩個熱力學系統各自與第三個熱力學系統處於熱平衡，則它們彼此也必處於熱平衡。這一實驗結論叫做熱平衡的傳遞性，或叫做熱平衡定律。
熱平衡定律
熱平衡定律是熱力學中的一個基本實驗定律，其重要意義在於它是科學定義溫度概念的基礎，是用溫度計測量溫度的依據。在熱力學中，溫度、內能、熵是三個基本的狀態函式，內能是由熱力學第一定律確定的；熵是由熱力學第二定律確定的；而溫度是由熱平衡定律確定的。所以熱平衡定律如第一、第二定律一樣也是熱力學中的基本實驗定律，其重要性不亞於熱力學第一、第二定律，但由於人們是在充分認識了熱力學第一、第二定律之後才看出此定律的重要性，故英國著名物理學家R.H.否勒稱它為熱力學第零定律。
動物的產熱量和散熱量相等即為熱平衡。動物機體在正常代謝過程中，不斷產熱和散熱，作為恆溫動物的哺乳動物和家禽，必須使散熱量和產熱量達到平衡，才能維持體溫的相對恆定，保證機體各器官組織執行正常的生理機能。
對於半導體等固體材料，熱平衡就是指沒有外加任何作用（例如電壓）時的一種狀態。半導體處於熱平衡時，其中的載流子稱為[熱]平衡載流子，其濃度是一定的（儘管在微觀上存在有不斷產生與複合的過程）；這時半導體內部可以存在電荷（空間電荷）和電場（內建電場），但不會產生電流。
當半導體受到光照或者加有電壓時，即變為非[熱]平衡狀態，其中的載流子稱為非平衡載流子。非平衡載流子濃度與外界作用有關，而且在外加作用去掉以後，非平衡載流子濃度將要隨著時間而發生衰減（有一個所謂壽命時間），最後又將逐漸回復到熱平衡狀態。
生活中的熱平衡
1．熱平衡是相對的
在一杯可樂中放入一些冰塊之後，可樂的溫度開始下降，冰開始融化。這時可樂有熱量傳給冰，當可樂降溫至0℃時，溫度不再降低，冰也不再融化，這時它們之間沒有熱的傳遞，兩者達到了熱的平衡。冰吸收的熱量等於可樂放出的熱量。牆上掛著的溫度計就是利用熱平衡的原理讀出當時室內溫度的。
上述可樂的熱平衡沒有考慮與周圍空氣及其他物體的關係。如果在溫暖的室內，這杯可樂還要與外界空氣發生熱交換，因而冰可能還要融化。因此從更大的範圍來說熱是不平衡的。最終可能冰全化了，可樂的溫度與室溫相同了，在室內實現了熱的平衡。當然還要考慮室內室外的熱傳遞問題。
總之，熱平衡既可以局部地分析，也可以將系統擴大之後來分析。局部、短時間內可看作是平衡的，更大範圍內、更長時間內可能是不平衡的。因而熱平衡是暫時的、相對的。熱平衡也是有條件的，只要物體之間有溫差，熱總是不平衡的。
2．準靜態的熱平衡
實際物質組成的系統都不能與外界完全隔絕熱的傳遞，因而系統總會偏離平衡態。但平衡被某種干擾所破壞需要一定的時間，這個時間有長有短，其長短與條件有關。
如人坐在一個鐵凳上，鐵凳的導熱性很好，人體將有大量的熱傳遞給凳子，最終達到熱的平衡，需要較長的時間。而另一個坐在毛茸茸的沙發中的人就大不相同了，沙發的導熱性差，它貼著人體的部分很快就與人體達到相同的溫度，實現熱平衡很快，因此保暖時需要很好的隔熱材料，降溫時需要很好的導熱材料，都是為了減少這段時間。當然這種平衡也不是絕對的平衡，只是無限接近平衡態，我們把它稱為準靜態平衡。
穿上很厚的多孔材料制的棉衣的人，保溫效果極好的保溫瓶，都是準靜態平衡的實例。
3．動態的熱平衡
當一個物體的熱量大量流失的情況下，或者某物體大量獲取熱量的時候，我們還能不能保持物體的溫度不變而處於熱的平衡狀態呢？
事實上這種情況是存在的，我們只要向物體提供，或吸取等量的熱量，就能保持其溫度不變。
例如一個工人突然走進高達50℃的高溫火爐旁，熱的輻射使他獲得了大量的熱量，但人必須維持37℃的體溫。這時人體立即有一種反應，即大量出汗，通過水分的蒸髮帶走熱量，將體溫維持在37℃。這時他吸收的熱量和放出的熱量必然是相等的。這種熱的平衡我們稱為動態的熱平衡。
下面的表格中所列的就是一些動態熱平衡的例子。
| 事例 | 動態平衡方式 | 結果 |
| 電熨斗 | 電熱絲提供的熱＝熨斗向空間散發的熱 | 維持一定的高溫 |
| 空調 器 | 從室內吸收的熱＝冷凝器向室外排出的熱 | 維持適宜的溫度 |
| 一個冬泳的人 | 向冷水中釋放的熱＝體內反應產生的熱 | 維持37℃的體溫 |
| 飛船再入大氣層 | 與大氣摩擦產生的熱＝表面鍍層汽化吸收的熱 | 內部保持適宜的溫度 |
| 地球 | 吸收太陽輻射得到的熱＝向太空輻射的熱 | 整體具有一定的溫度 |
