Тепловой процесс (термодинамический процесс) — изменение макроскопического состояния термодинамической системы. Если разница между начальным и конечным состояниями системы бесконечно мала, то такой процесс называют элементарным (инфинитезимальным).

Система, в которой идёт тепловой процесс, называется рабочим телом.

Тепловые процессы можно разделить на равновесные и неравновесные. Равновесным называется процесс, при котором все состояния, через которые проходит система, являются равновесными состояниями. Такой процесс приближённо реализуется в тех случаях, когда изменения происходят достаточно медленно, т. е. процесс является квазистатическим.

Тепловые процессы можно разделить на обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который можно провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния.

Процессы принято классифицировать по тем термодинамическим величинам, которые остаются неизменными в ходе процесса. Можно выделить несколько простых, но широко распространённых на практике, тепловых процессов:

• Адиабатный процесс (${\displaystyle \delta Q=0}$)— без теплообмена с окружающей средой;
• Изохорный процесс (${\displaystyle V=const}$) — происходящий при постоянном объёме;
• Изобарный процесс (${\displaystyle P=const}$) — происходящий при постоянном давлении ;
• Изотермический процесс (${\displaystyle T=const}$) — происходящий при постоянной температуре;
• Изоэнтропийный процесс (${\displaystyle S=const}$)— происходящий при постоянной энтропии;
• Изоэнтальпийный процесс (${\displaystyle H=const}$)— происходящий при постоянной энтальпии;
• Политропный процесс (${\displaystyle C=const}$)— происходящий при постоянной теплоёмкости.

Иногда в течение всего процесса неизменными оказываются не одна, а несколько термодинамических величин. Так, например, испарение и конденсация в системе жидкость — пар, когда одновременно постоянны и давление и температура, есть процессы изобарно-изотермические.

В технике важны круговые процессы (циклы), то есть повторяющиеся процессы, например, цикл Карно, цикл Ренкина.

Теория тепловых процессов применяется для проектирования двигателей, холодильных установок, в химической промышленности, в метеорологии.