Необрати́мый проце́сс, процесс, который самопроизвольно может идти только в одном определённом направлении. Типичные примеры необратимых процессов – трение, теплопередача, диффузия. Любое самопроизвольное изменение состояния замкнутой макроскопической системы во времени с конечной скоростью необратимо. Система, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия, без внешнего воздействия не меняет своего состояния. Следовательно, самопроизвольное изменение состояния возможно только для неравновесной системы. Исключение составляют локальные флуктуации термодинамических параметров равновесных систем – плотности, температуры и др. Но относительная величина флуктуаций в макроскопических системах, состоящих из большого числа частиц, ничтожно мала. В тех случаях, когда при решении конкретных задач необратимостью можно пренебречь, процесс полагают обратимым.

С необратимостью всех наблюдаемых процессов связаны необратимость времени и принцип причинности. Уравнения движения в механике инвариантны относительно изменения знака времени. Поэтому представляется парадоксальной (по крайней мере, на первый взгляд) возможность объяснения наблюдаемой необратимости механических явлений на основе законов механики.

Простейшая причина необратимости заключается в том, что время возврата системы в положение (состояние), сколь угодно близкое к своему первичному положению (существование такого времени доказано теоремой Пуанкаре), в макроскопических системах с большим числом частиц (и, соответственно, степеней свободы) чрезвычайно велико и поэтому реально ненаблюдаемо. Неизмеримо быстрее неравновесная система в процессе своей эволюции оказывается в фазовом пространстве громадного числа наиболее вероятных состояний, неразличимых в её макроскопических проявлениях.

Если неравновесная замкнутая система состоит из подсистем, термодинамическое равновесие между которыми устанавливается медленно по сравнению с равновесием внутри каждой подсистемы, то процесс установления равновесия между подсистемами происходит на фоне их внутреннего равновесия. К таким подсистемам относятся, например, равновесные внутри себя элементы объёма в системе с пространственно неоднородным распределением температуры или химического состава, компоненты неравновесного химического и электронно-ионного состава газа. Энтропия такой неравновесной системы, определённая как сумма энтропий всех подсистем, со временем возрастает и достигает максимального значения при установлении равновесия между подсистемами. При этом отдельные слагаемые суммы могут оставаться постоянными или убывать. Это не противоречит закону возрастания энтропии, т. к. подсистемы не замкнуты.

Процесс перехода к общему термодинамическому равновесию может быть описан уравнениями физической кинетики, обобщёнными на неупругие столкновения и пространственную неоднородность системы. Однако внутреннее равновесие подсистем позволяет существенно упростить проблему и свести её к решению дифференциальных уравнений кинетики химических и электронно-ионных реакций, теплопроводности, диффузии и др. При малых отклонениях от равновесия задачи об эволюции таких систем теоретически решаются методами термодинамики неравновесных процессов.