Графическое представление состояний системы в зависимости от внешних параметров, таких как температура и магнитное поле.Фазовая диаграмма — это графическое представление, показывающее состояния системы — такие как твёрдое, жидкое, газообразное или более экзотические фазы, например сверхпроводящие или магнитные, — в зависимости от внешних параметров, таких как температура, давление или магнитное поле. Диаграмма делит пространство параметров на области, где каждая фаза стабильна, с линиями, отмечающими границы, где две фазы сосуществуют. В физике фазовые диаграммы необходимы для понимания того, как ведёт себя материя в различных условиях — от повседневной воды до квантовых материалов и даже ранней Вселенной.
Концепция фазовых диаграмм возникла в XIX веке благодаря работам Джозайи Уилларда Гиббса, который ввёл понятия фаз и химического потенциала. Первая подробная фазовая диаграмма для воды была разработана Томасом Эндрюсом в 1869 году, который определил критическую точку.
Фазовая диаграмма строится путём измерения или расчёта свободной энергии каждой возможной фазы как функции внешних параметров. Фаза с наименьшей свободной энергией является стабильной. Границы возникают там, где две фазы имеют равную свободную энергию, что приводит к сосуществованию. Вблизи критических точек флуктуации становятся большими, и возникает универсальное поведение, часто описываемое степенными законами. Современные методы, такие как машинное обучение, также позволяют определять границы фаз по данным, как намекает «Как отличить хаос от порядка по следу частицы».
Фазовые диаграммы используются для проектирования сплавов с заданными свойствами, для оптимизации промышленных процессов, таких как кристаллизация, и для понимания поведения материалов в экстремальных условиях, например в ядерных реакторах или недрах планет.
Фазовая диаграмма воды содержит по меньшей мере 18 известных кристаллических фаз льда, некоторые из которых существуют только при давлениях, в тысячи раз превышающих атмосферное.
