相図（状態図）の基礎と熱力学的性質

相図（そうず、英: phase diagram）は、物質や系における相と熱力学的な状態量の関係を視覚的に示した図です。状態図とも呼ばれます。この図を用いることで、特定の条件下で物質がどのような状態（固体、液体、気体など）をとるかを予測することが可能です。

温度と圧力による相図

純物質における温度と圧力の関係を示す相図では、物質の三態が境界線によって区切られています。各相の境界線は、以下の熱力学的プロセスに対応しています。

• 融解曲線：固相と液相の境界
• 昇華曲線：固相と気相の境界
• 蒸発曲線：液相と気相の境界

蒸発曲線の高温高圧側の終端は臨界点と呼ばれ、これを超えると物質は超臨界流体となります。また、これら三つの曲線が交わる点は三重点と呼ばれ、三つの相が平衡状態で共存する特定の温度・圧力点を示します。多くの物質において融解曲線は蒸発曲線側へ傾いていますが、水のように圧力が高いほど融点が低くなる物質では、傾きが逆方向になります。

組成と温度の相図

金属工学などの分野では、温度と組成の関係を示す相図が広く利用されます。これは合金の性質を予測し、工業的な製造プロセスを制御するために不可欠なツールです。相律に基づき、系内の自由度を考慮することで、物質の状態を正確に記述することができます。