Лока́льное термодинами́ческое равнове́сие, термодинамическое равновесие внутри элемента объёма (массы) системы. В отсутствие внешних источников возмущения локальное термодинамическое равновесие в малом элементе объёма устанавливается обычно намного быстрее, чем равновесие системы в целом, т. е. характерные времена $τ_i$ установления локального термодинамического равновесия в $i$-том элементе объёма много меньше времени $τ$ перехода к термодинамическому равновесию всей системы:

$$τ_i ≪ τ\tag 1$$Неравенства (1) тем сильнее, чем меньше элементы объёма. Но для применения к малым элементам объёма законов термодинамики и статистической физики безграничной среды,
т. е. без учёта поверхностных эффектов, число частиц (молекул, атомов, ионов) в элементах объёма должно быть очень большим – порядка 10⁹ и более. Такие элементы называют физически бесконечно малыми элементами. Их размеры позволяют рассматривать систему как сплошную и применять к её описанию дифференциальные уравнения математической физики.

Вследствие неравенств (1) релаксация (движение к равновесию) системы как целого происходит в основном тогда, когда её малые элементы успели перейти в состояние локального термодинамического равновесия со своими значениями термодинамических параметров (температуры, энтропии $s_i$, химического потенциала и др.).

Энтропия неравновесной системы $s$ определяется при локальном термодинамическом равновесии всех её элементов как

$$\sum\limits_i s_i\tag 2$$Формула (2) придаёт понятию энтропии неравновесной системы определённый качественный и количественный смысл (чего нельзя сделать в общем случае неравновесной системы): $s$ выражается в (2) через термодинамические функции $s_i$; в замкнутой неравновесной системе сумма $\sum\limits_i s_i$ возрастает со временем и достигает максимума при полном равновесии. Это свойство $\sum\limits_is_i$ позволяет использовать принцип максимума энтропии (или минимума термодинамических потенциалов) в исследовании состояния и устойчивости системы при её переходе в полное термодинамическое равновесие.

В условиях локального термодинамического равновесия задачи о релаксации системы как целого существенно упрощаются и сводятся к составлению и решению системы дифференциальных уравнений гидродинамики, теплопроводности, диффузии и др. (см. Термодинамика неравновесных процессов).