Διάγραμμα φάσεων

Το διάγραμμα φάσεων είναι μια γραφική παράσταση (γράφημα) που χρησιμοποιείται στην φυσικοχημεία (χημική θερμοδυναμική) και σε άλλες επιστήμες, και που δείχνει τις περιοχές σταθερότητας διαφόρων φάσεων ενός συστήματος (καθαρής ουσίας ή μίγματος) ως συνάρτηση διαφόρων χαρακτηριστικών παραμέτρων όπως θερμοκρασία, πίεση και συγκέντρωση.
Τα διαγράμματα φάσεων είναι χαρακτηριστικά για κάθε καθαρή ουσία και μίγματα αυτών. Για την περιγραφή όμως των φάσεων τριμερών μιγμάτων απαιτούνται τριδιάστατα διαγράμματα που στην πράξη (για λόγους ευκολίας) προβάλλονται με διάφορες τεχνικές σε δύο διαστάσεις.

Ιστορία

Η ιστορία των διαγραμμάτων φάσεων συνδέεται με την ιστορία της χημικής θερμοδυναμικής στα τέλη του 19ου και τις αρχές του 20ού αι. Η ιστορία των διαγραμμάτων φάσεων ξεκινά ουσιαστικά με την πρωτοποριακή εργασία του ολλανδού H. B. Roozeboom επάνω στην ισορροπία φάσεων σιδήρου–άνθρακα στα 1900, και την εργασία των αμερικανών Heycock και Neville στα κράματα χαλκού στα 1902. Ακολούθησαν και άλλες πολλές παρόμοιες εργασίες και γρήγορα η μελέτη των διαγραμμάτων φάσεων πήρε χαρακτήρα ξεχωριστού κλάδου της φυσικοχημείας.

Διάκριση διαγραμμάτων

Διάγραμμα φάσεων που δείχνει τις φάσεις μιας ουσίας υπό διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης αποκαλείται διάγραμμα φάσεων καθαρής ουσίας ή διάγραμμα θερμοκρασίας–πίεσης. Διάγραμμα φάσεων που δείχνει τις φάσεις που σχηματίζονται από δύο ουσίες αποκαλείται διμερές διάγραμμα φάσεων. Αντιστοίχως ένα διάγραμμα φάσεων που δείχνει τις φάσεις που σχηματίζονται από τρεις ουσίες αποκαλείται τριμερές διάγραμμα φάσεων.
Παρότι τα διαγράμματα φάσεων περιγράφουν τις φάσεις ενός συστήματος υπό συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας, εντούτοις συχνά χρησιμοποιούνται για να δείξουν και φάσεις που δημιουργούνται υπό μετασταθείς συνθήκες. Στην πρώτη περίπτωση γίνεται λόγος για ευσταθή διαγράμματα φάσεων ή διαγράμματα ισορροπίας, ενώ στην δεύτερη περίπτωση γίνεται λόγος για μετασταθή διαγράμματα φάσεων. 
Τα διαγράμματα φάσεων είναι εξαιρετικά χρήσιμα για τον σχεδιασμό και την ανάλυση της συμπεριφοράς διαφόρων υλικών στην χημεία, την γεωλογία, την μεταλλουργία, την κεραμική, την επιστήμη των υλικών κ.ά. Επίσης, συχνά χρησιμοποιούνται διαγράμματα παρόμοια με τα διαγράμματα φάσεων για να παρουσιαστούν και άλλες ιδιότητες πολυμερών συστημάτων υπό διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας, πίεσης, σύστασης, όπως π.χ. ηλεκτρική αγωγιμότητα, χρώμα, κ.λπ.

Σχεδιασμός διαγραμμάτων φάσεων

Τα διαγράμματα φάσεων μπορούν να σχεδιαστούν πειραματικά και θεωρητικά με πολλούς τρόπους. Ο κλασικός τρόπος σχεδιασμού διαγραμμάτων φάσεων είναι πειραματικός. Τα κύρια συστατικά αναμειγνύονται σε μία δεδομένη αναλογία, τήκονται σε υψηλή θερμοκρασία μέχρι να δημιουργηθεί ένα ομοιογενές τήγμα (εάν αυτό είναι δυνατόν) και μετά ψύχονται και λαμβάνονται οι λεγόμενες καμπύλες απόψυξης. Οι καμπύλες απόψυξης παρουσιάζουν αλλαγή κλίσης εκεί που αρχίζουν να δημιουργούνται νέες φάσεις. Μάλιστα όταν λαμβάνει χώρα μετασχηματισμός φάσης, η καμπύλη απόψυξης γίνεται μία οριζόντια γραμμή εξαιτίας της λανθάνουσας θερμότητας που συνδέεται με την συγκεκριμένη αλλαγή φάσης.
Με άλλους πειραματικούς τρόπους, ο σχεδιασμός διαγραμμάτων φάσεων γίνεται εμμέσως με την παρατήρηση κάποιων ιδιοτήτων του συστήματος. Έτσι, διαγράμματα φάσεων σχεδιάζονται με ανάλυση της κρυσταλλικής δομής ενός πολυμερούς συστήματος (περιθλασιμετρία ακτίνων Χ) ή με εκτίμηση φυσικών ιδιοτήτων (πυκνότητα, ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες, κ.λπ.). Οι μετασχηματισμοί επιβεβαιώνονται και με παρατήρηση στο μικροσκόπιο (πετρογραφικό ή  μεταλλογραφικό). Για παράδειγμα, τα κράματα ευτηκτικής ή ευτηκτοειδούς σύστασης παρουσιάζουν χαρακτηριστική μικροσκοπική δομή που αποτελείται από πλακίδια ή φυλλάρια («λαμέλες»)  εναλλασσόμενων στερεών φάσεων. Τέτοια δομή είναι, π.χ., ο ευτηκτοειδής περλίτης που παρατηρείται στον χάλυβα. 
Ο θεωρητικός τρόπος του σχεδιασμού διαγραμμάτων φάσεων είναι ένας και μοναδικός: με τον υπολογισμό της ελάχιστης ελεύθερης ενθαλπίας Gibbs (ΔG). Ο υπολογισμός αυτός προϋποθέτει γνώση της ελεύθερης ενθαλπίας του σχηματισμού των κυρίων συστατικών καθώς και γνώση της μεταβολής της ελεύθερης ενθαλπίας των φάσεων ως συνάρτηση της σύστασης (ενέργεια μίξης). Ο υπολογισμός αυτός γίνεται ταχύτατα με κατάλληλες βάσεις θερμοδυναμικών δεδομένων.

Χρήσεις

Τα διαγράμματα φάσεων χρησιμοποιούνται ευρέως. Στην πετρολογία, που είναι κλάδος της γεωλογίας, χρησιμεύουν για την ερμηνεία φαινομένων σχηματισμού πετρωμάτων από το μάγμα ή άλλα γεωλογικά σώματα. 
Στην εξαγωγική μεταλλουργία, τα διαγράμματα φάσεων βρίσκουν μεγάλη εφαρμογή στην επιλογή συνθηκών για την κατεργασία των πρώτων υλών. Η ηλεκτρόλυση του αλουμινίου γίνεται σε ευτηκτικό τήγμα κρυόλιθου (Na₃AlF₆) και αλουμίνας (Al₂O3). Η επιλογή των συνθηκών λειτουργίας των αναγωγικών καμίνων γίνεται με βάση την σύνθεση και το αναμενόμενο σημείο τήξης της σκουριάς. 
Στην μεταλλογνωσία, την κεραμική και την επιστήμη των υλικών γενικότερα, τα διαγράμματα χρησιμεύουν για τον σχεδιασμό υλικών με ιδιαίτερα φυσικά χαρακτηριστικά, καθώς για την ερμηνεία της συμπεριφοράς των υλικών.
Παρόμοια διμερή διαγράμματα φάσεων χρησιμοποιούνται και στην περίπτωση αερίων και υγρών φάσεων. Πρόκειται για τα διαγράμματα σημείου βρασμού στα οποία η καμπύλη liquidus αντικαθίσταται από την καμπύλη του σημείου δρόσου (αγγλ., Dew point curve) και η καμπύλη solidus αντικαθίσταται από την καμπύλη σημείου φυσαλίδας (αγγλ., bubble point curve). Τα διαγράμματα σημείου βρασμού είναι πολύ χρήσιμα για τον σχεδιασμό συστημάτων κλασματικής απόσταξης.