相態

相態也就是物質的狀態（或簡稱相，也叫物態）

物質在一定溫度、壓強下所處的相對穩定的狀態。物質聚集狀態的簡稱，也稱聚集態。氣態、液態、固態是物質三態，相應的物質分別稱為氣體、液體、固體。它們是以分子或原子為基元的3種聚集狀態。水汽、水、冰是常見的同一物質的三態；氧、氫、氦等在常溫下是氣態，只在極低溫度下才是液態或固態；金、鎢等在常溫下是固態，只在極高溫度下才是液態或氣態，固態物質的分子或原子只能圍繞各自的平衡位置微小振動，固體有一定的形狀、大小；液態物質的分子或原子沒有固定的平衡位置，但還不能分散遠離，液體有一定體積，形狀隨容器而定，易流動，不易壓縮；氣態物質

的分子或原子作無規則熱運動，無平衡位置，也不能維持在一定距離，氣體沒有固定的體積和形狀，自發地充滿容器，易流動，易壓縮。

除上述三態外，在極高溫下電離的氣體成為由離子和電子組成的等離子體，稱為物質第四態。這是宇宙中普遍存在的物質聚集狀態。在超高壓、超高溫下原子結構被破壞，原子外圍的電子被擠壓到原子核範圍，這種狀態稱為超固態，亦稱物質第五態。

相態是一種宏觀現象。組成一個系統的粒子假如比較少的話（一般少於1000）相態的差別就消失了。其原因是只有在大的系統中系統的自由能才開始不解析。

相態的另一個特性是它的萬能性。不論一個宏觀系統下的微觀系統是怎樣組成的，它們的相態有非常類似的特性。比如鐵和冰都是固態的，雖然從微觀結構來說冰和鐵的結構非常不同，但它們的固態都具有類似的特性，比如保持它們的形狀。

對自由能的分析

雖然相態的概念從表面上來看非常簡單，但要對它作一個精確的定義卻很困難。一個比較好的定義是一個相態是一個在其範圍內其熱力學參數的自由能在參數空間中的函數是解析的。這個定義實際上就是說，假如兩個系統是同一個相態的話，那麼在從一個系統轉換到另一個系統的時候它們的熱力學參數不會突然改變。

熱力學中的參數如熵、熱容量、壓縮度等都可以被表示為自由能和它的導數。比如熵是自由能對溫度的導數。只要自由能是解析的，那麼熱力學的其它參數也是連續的。

假如一個系統從一個相態演變為另一個相態，那麼在這個過程中總會有一個階段里自由能是不解析的。這個過程被稱為相變。最常見的相變有溶化（從固態到液態）、凍結（從液態到固態）、沸騰（從液態到氣態）和凝結（從氣態到液態）。由於自由能在這個過程中是不解析的，因此在這個過程的兩邊它是兩個完全不同的函數。兩個相態中熱力學的參數也完全不同。最顯著的是熱容量，在相變過程中熱容量可以達到無窮大，從一個值跳到另一個值。

相關的熱力學參數

實際上每個相態與另一個相態之間總有一些相關的熱力學參數非常不同。比如固體比液體要堅固得多，固體不象液體或氣體那樣，它可以保持它的形狀。而液體則比氣體的壓縮性小得多。在一個大的容器中，氣體可以充滿整個容器，而液體則只佔據一小部分。固體、液體和氣體之間也有許多相同的熱力學特性，比如它們的磁特性。但一個物質的鐵磁態和順磁態之間最大的區別就是它們的磁特性了。

另一個例子是同素異形體，許多物質在固態中可以有不同的晶體結構而具有非常不同的特性。鑽石和石墨就是碳的同素異形體。從熱力學的角度出發它們屬於不同的相態。

亞穩定的相態

亞穩定的狀態有時也被看作是相態，但精確地說它們並非相態，因為它們不穩定。比如一些同素異形體只有在一定的條件下才穩定。取以上提及的碳為例，鑽石只有在高壓下才真正穩定。在一般的大氣壓和溫度下鑽石會緩慢地轉變為石墨。但這個過程非常緩慢，因此在常溫和常壓下鑽石是一種亞穩定的狀態。假如溫度加高的話，這個轉化的過程就會加快。

一般人們用相圖來表示一個系統的不同相態。相圖的軸是相關的熱力學參數。簡單的相圖的軸是壓力和溫度。

相圖上的線被稱為“相界”，這是自由能不解析的地方，或者說相變發生的地方。而沒有線的地方則是自由能解析的地方。這些地區屬於同一個相態。有些相態的相界不是在一切情況下都存在的。比如在647K和22.064兆帕斯卡以上水的液態和氣態無法區分，液態和氣態的相界在這個點就中斷了。

在同一個系統中不同的相態可以同時存在。一般來說它們之間有分明的邊界。

威拉德·吉布斯提出的相態定理說明在一個系統中可以同時又幾個相態存在。在一個由一個物質組成的系統中最多可以有三個相態同時存在，但只有在一個特定的溫度和壓力下才有可能三個相態同時存在，這個點被稱為三相點。兩個相態開始無法區分的點被稱為臨界點。在一定的溫度或壓力下也可能有兩個相態同時存在。假如一個系統由多種物質組成，那麼也可能有更多的相態同時存在。