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Il diagramma di fase, o diagramma di stato, è un diagramma cartesiano riferito ad una sostanza in cui sono riportate in ascissa la temperatura e in ordinata la pressione. Per la sostanza in questione sono rappresentate le linee che indicano il cambiamento di fase; nei campi individuati all'interno di queste linee si individuano i campi di esistenza del solido, del liquido e del vapore.
La linea di separazione liquido-vapore non si estende tendenzialmente all'infinito, ma termina in un punto preciso nel quale le caratteristiche del vapore e del liquido diventano le medesime: si tratta del punto critico, individuato per ogni sostanza da valori di pressione e di temperatura ben precisi.
La linea di separazione solido-liquido ha in quasi tutte le sostanze una inclinazione positiva, ciò indica una diminuzione del volume specifico all'aumentare della temperatura. Eccezioni sono sostanze come il gallio, l'antimonio, il bismuto ma soprattutto l'acqua per cui in solidificazione si ha un aumento del volume specifico.