Диагра́мма состоя́ния (фазовая диаграмма), графическое изображение соотношения между параметрами состояния термодинамически равновесной системы (температурой, давлением, составом и др.). Диаграмма состояния позволяет определить, сколько фаз и какие конкретно фазы образуют систему при данных температуре, давлении, составе и других параметрах состояния. Диаграммы состояния используют на практике в материаловедении, физико-химическом анализе и т. д.
* * *
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ - ДИАГРА́ММА СОСТОЯ́НИЯ, диаграмма равновесия, фазовая диаграмма, графическое изображение равновесных фазовых состояний одно- или многокомпонентных систем при разных значениях параметров, определяющих эти состояния. Диаграммы состояния изображают фазовый состав системы при разных концентрациях компонентов (Х), температурах (Т) и давлении (Р).
Диаграммы являются пространственными. Мерность пространства зависит от числа независимых переменных, функцией которых является фазовый состав. Диаграмма состояния может быть двумерной, трехмерной и многомерной. Переменные (Р, Т, Х) являются координатами, в которых строится диаграмма. Каждая точка диаграммы состояния (фигуративная точка) указывает на фазовый состав вещества при заданных значениях термодинамических параметров (координат этой точки). Когда система состоит только из одного компонента, диаграмма состояния представляет собой трехмерную пространственную фигуру, построенную в трех прямоугольных координатных осях, по которым откладывают температуру (Т), давление (Р) и мольный объем (v). На практике часто применяют проекцию диаграммы состояния на одну из координатных плоскостей, обычно на плоскость Р - Т.
Чаще всего строят диаграммы фазового равновесия в координатах концентрация - температура (диаграммы Т-Х). В этом случае для двухкомпонентных систем диаграммы изображаются на плоскости. Для трехкомпонентных систем диаграммы строятся в трехмерном пространстве. Диаграммы систем с числом компонентов более трех требуют специальных сложных приемов для своего построения. Если давление также является переменным, то и для двухкомпонентных систем диаграммы являются трехмерными (Р-Т-Х диаграммы). При исследовании равновесия фаз в условиях переменного давления строят изобарическое и изоконцентрационное сечения и проекции на плоскости Т-Р или Т-Х. С помощью диаграмм состояния для данных равновесных условий можно определить число фаз в системе, относительное количество каждой из фаз, состав каждой фазы и ее природу (чистый компонент, твердый раствор, соединение).
Экспериментальное и теоретическое построение диаграмм состояния является главным путем в решении проблемы описания гетерогенных равновесий при анализе реальных систем. Основными методами построения диаграмм состояния являются методы физико-химического анализа, основы которого были разработаны акад. Н. С. Курнаковым (см. КУРНАКОВ Николай Семенович). В основе физико-химического анализа лежит изучение функциональной зависимости между значениями физических свойств и параметрами Р, Т, Х. Знание этих зависимостей позволяет устанавливать физико-химическую природу фаз и границы их существования. Экспериментальное построение диаграммы состояния осуществляется с применением данных различных физических методов измерения свойств, термических и рентгенографических анализов, оптической и электронной микроскопии, дилатометрии. Распространенным методом является построение диаграмм состав- свойство. В основе геометрического анализа диаграмм состав-свойство (в общем случае - переменный фактор-свойство) лежат принцип непрерывности и принцип соответствия.
Согласно принципу непрерывности, при непрерывном изменении химического состава системы (или других переменных факторов Т и Р), не сопровождающемся изменением фазового состава (числа фаз), непрерывно и плавно меняются и свойства системы. Согласно принципу соответствия, каждому химическому индивидууму, каждой фазе и каждому фазовому равновесию отвечает определенный образ на диаграмме состояния: составам, отвечающим химическим соединениям, соответствуют максимумы или минимумы на диаграммах состав-свойство, каждой фазе, выделяющейся из расплава (при кристаллизации), или твердого раствора, соответствует своя линия на двойной диаграмме и т. д. Все линии на двойных или тройных диаграммах состояния ограничивают фазовые области, число фаз в которых различаются на единицу. При анализе диаграмм состояния пользуются правилом фаз Гиббса, устанавливающим наибольшее число фаз, которые могут находиться в равновесии и число независимых параметров, изменение которых не нарушает фазового состояния вещества.
Изучение диаграмм состояния помогает выбрать оптимальные составы смесей и сплавов, определить эффективность процессов разделения и глубокой очистки веществ при перегонке, зонной плавке и т. д. Диаграммы состояния используют на практике в материаловедении, металлургии, металловедении, химии, геологии и др.