Кілька ізотерм для ідеального газу нa p-V-T діаграмі
Для здійснення ізотермічного процесу систему зазвичай поміщають в термостат (масивне тіло, що знаходиться в тепловій рівновазі), теплопровідність якого велика, так що теплообмін з системою відбувається досить швидко в порівнянні зі швидкістю протікання процесу, і, температура системи в будь-який момент практично не відрізняється від температури термостата. Можна здійснити ізотермічний процес інакше - із застосуванням джерел або стоків тепла, контролюючи постійність температури за допомогою термометрів. До ізотермічним процесів відносяться, наприклад, кипіння рідини або плавлення твердого тіла при постійному тиску. Графіком ізотермічного процесу є ізотерма.
В ідеальному газі при ізотермічному процесі для незмінною маси газу добуток тиску на об'єм постійно (закон Бойля-Маріотта). Ізотерми ідеального газу в координатах p. V - гіперболи. розташовані на графіку тим вище, чим вище температура, при якій відбувається процес (див. малюнок).
У загальному випадку при ізотермічному процесі системі повідомляється деяку кількість теплоти Q (або вона віддає теплоту) і системою здійснюється робота A над зовнішніми тілами. Альтернативний процес, при якому теплообмін з навколишнім середовищем відсутній (термодинамічна система знаходиться в енергетичному рівновазі - система не поглинає і не виділяє тепло), називається адіабатичним процесом.
У твердому тілі і більшості рідин ізотермічні процеси дуже мало змінюють обсяг тіла, якщо тільки не відбувається фазовий перехід.
Перший закон термодинаміки для ізотермічного процесу записується у вигляді:
де враховується, що внутрішня енергія системи в ізотермічному процесі не змінюється. Таким чином, в ізотермічному процесі вся теплота, отримана системою, витрачається на здійснення системою роботи над зовнішніми тілами.