Фа́зовая диагра́мма, графическое изображение условий (температуры, давления, химического состава и др.), при которых в равновесной термодинамической системе, состоящей из одного или нескольких заданных веществ (независимых компонентов системы), существуют однородные состояния вещества (фазы) с различающимися физико-химическими свойствами. Как эквивалентный термину «фазовая диаграмма» используется термин «диаграмма состояния» (главным образом в России и Германии). Однако диаграммой состояния нередко, особенно в англоязычной литературе, называют также графики, не отражающие непосредственно фазовые равновесия в системе.

Фазы представлены на фазовой диаграмме в виде областей, ограниченных кривыми или поверхностями, расположенными в пространстве независимых термодинамических переменных. Обычно это температура $T$, давление $P$, мольные доли компонентов системы $x$, функции этих и других переменных, такие как отношения количеств или концентраций компонентов, плотности $\rho$ или мольные объёмы $V_\text{m}$, парциальные давления или химические потенциалы веществ $\mu$. При отсутствии внешних силовых полей число координатных осей полной фазовой диаграммы открытой системы с $c$ компонентами равно $c+2$. Для изображения многомерных фазовых диаграмм на плоскости пользуются их сечениями и проекциями, построенными при определённых ограничениях, наложенных на некоторые из независимых переменных, часто в сочетании со специально выбранными системами координат (координаты Дженике, треугольники Гиббса – Розебома и др.). Фазовая диаграмма показывает: какие индивидуальные вещества, жидкие, твёрдые или газовые растворы образуют заданные компоненты системы; при каких условиях такие фазы и их гетерогенные смеси являются термодинамически устойчивыми; при каких значениях термодинамических переменных в системе происходят фазовые превращения веществ. Фазовые диаграммы, содержащие данные о химическом составе фаз, позволяют также определить относительные количества сосуществующих фаз. Такие сведения необходимы для решения многих научных и практических задач и широко используются в химии, металлургии, материаловедении, геохимии и других областях науки и технологии.

Координатами фазовых диаграмм могут быть термодинамические переменные двух видов – параметры термического, механического и химического равновесий $T$, $P$, $\mu$, имеющие одинаковые значения во всех частях равновесной системы, или (обычно различающиеся в разных фазах) обобщённые плотности экстенсивных свойств, такие как $x$, $\rho$, $V_\text{m}$ и другие свойства, равные отношениям экстенсивных величин к количеству, массе или объёму вещества в системе. В связи с этим различают три типа фазовых диаграмм. Диаграммы одного и того же типа являются изоморфными: они имеют одинаковые топологические особенности независимо от числа компонентов и значений конкретных переменных на координатных осях.

На фазовых диаграммах типа ($T$, $P$), ($T$, $\mu_i$), ($\mu_i$, $\mu_j$) и им подобных, с интенсивными параметрами равновесия, представлены только фазовые области и разделяющие их линии (поверхности), которые обозначают границы стабильности отдельных фаз. Точки пересечения линий соответствуют условиям равновесия более двух фаз. Так, тройная точка на ($T$, $P$)-диаграмме однокомпонентной системы указывает на условия устойчивого сосуществования трёх фаз.

При наличии оси концентраций, мольных свойств, плотностей, как, например, на фазовых диаграммах ($T$, $x$), ($P$, $x$), ($\mu_i$, $x$), ($T$, $\rho$), области стабильности фаз разделены другими областями, которые отображают существование гетерогенных смесей равновесных фаз. Фазовая диаграмма такого типа для двухкомпонентной системы Cd – Zn показана на рисунке.

Фазовая (Т, х)-диаграмма двухкомпонентной системы Cd – Zn при постоянном давлении (P = 101,3 Па).Фазовая (Т, х)-диаграмма двухкомпонентной системы Cd – Zn при постоянном давлении (P = 101,3 Па).Диаграмма этой двухкомпонентной системы имеет две координатные оси, а не четыре, как того требует приведённое выше выражение $c+2$, поскольку при её построении использовано условие постоянства $P$ и два независимых переменных количества Cd и Zn заменены одной концентрацией $x_{Zn}(x_{Cd}=1-x_{Zn})$. Верхняя часть рисунка представляет собой диаграмму равновесия жидкость – пар. Ломаная кривая, соединяющая точки плавления чистых компонентов, называется линией ликвидуса, она показывает «диаграмму плавкости» системы. Прямые (коноды), проведённые в гетерогенной области такой фазовой диаграммы между границами двух сосуществующих фаз параллельно оси концентраций (эвтектическая конода на рисунке), позволяют при любом заданном компонентном составе системы определить количества сосуществующих фаз («правило рычага»).

В фазовых диаграммах третьего типа – ($x_i$, $x_j$), ($x_i$, $\rho$), (мольная энтропия, $x$), (мольная энтальпия, $x$) и др. – координатами являются только обобщённые плотности экстенсивных термодинамических свойств. На этих диаграммах также представлены гетерогенные смеси фаз и коноды, но, в отличие от двух других типов фазовых диаграмм, в данном случае состояние гетерогенных смесей отображается плоской или объёмной фигурой (треугольником, тетраэдром) и есть возможность определять количественный фазовый состав системы при равновесии трёх и более фаз («правило центра тяжести» фигуры).

Фазовые диаграммы изучают экспериментально и рассчитывают методами химической термодинамики по данным о термодинамических свойствах составляющих систему веществ. Теоретические основания для построения фазовых диаграмм даны Дж. У. Гиббсом в 1880-х гг. Им же сформулировано правило фаз, широко применяющееся при экспериментальном изучении фазовых равновесий и фазовых диаграмм: при фиксированных $T$ и $P$ число равновесно сосуществующих фаз $f$ не может превышать число компонентов системы более чем на два, $f \leq c+2$.