Тепловая машина (двигатель внутреннего сгорания) работает, взаимодействуя с атмосферой. Двигатель внутреннего сгорания меняет рабочее тело в каждом цикле. Такой массообмен осуществляется с атмосферой. В процессе получения полезной работы происходит теплообмен все с той же окружающей средой, т. е. принцип работы тепловой машины предполагает ее взаимодействие с окружающей средой в соответствии с законами термодинамики.
Термодинамический процесс — переход системы из одного состояния в другое в результате ее взаимодействия с окружающей средой. Если процесс происходит со скоростью значительно меньшей скорости релаксации, то на любом его этапе значения всех интенсивных параметров системы будут успевать выравниваться.
Этот процесс представляет непрерывную последовательность бесконечно близких друг к другу равновесных состояний, которые называют квазистатическими или равновесными. Равновесные процессы допускают графическое изображение в пространстве и на плоскостях параметров состояния.
Равновесный процесс может идти как в направлении возрастания, так и убывания любого из параметров состояния, т. е. как в одном, так и в противоположном направлениях. При этом система каждый раз будет проходить через те же состояния, но в обратном порядке. Поэтому равновесные процессы являются обратимыми. При возвращении системы в исходное состояние окружающей среды полностью возвращается и ранее полученная от нее теплота. Таким образом, при течении в обратном направлении первоначальный процесс как бы «стирается» и никаких «следов» его не остается.
Отсутствие каких-либо остаточных изменений в системе и в окружающей среде при возвращении системы в исходное состояние является отличительным свойством обратимого процесса. Процесс, не обладающий этим свойством, называется необратимым. Если система совершила необратимый процесс, то ее возвращение в исходное состояние требует дополнительных энергозатрат со стороны окружающей среды. Так, работа, совершенная системой в необратимом процессе, недостаточна для обратного ее перехода в начальное состояние. Как отмечал Планк (1858—1947), «с каждым необратимым процессом система делает некоторый такой шаг вперед, следы которого ни при каких обстоятельствах не могут быть уничтожены».
Все реальные процессы вследствие трения, теплообмена при конечной разности температур и ограниченности времени их протекания, необратимы.