普通化學/氣體、液體和固體各自具有特定的物理特性
在物理科學中，相是指宏觀物理系統的一組狀態，這些狀態具有相對均勻的化學成分和物理性質（即密度，晶體結構，折射率等等）。最熟悉的相的例子是固體，液體和氣體。不太熟悉的相包括等離子體，玻色-愛因斯坦凝聚態和費米子凝聚態以及順磁性和鐵磁性相的磁性材料。
相有時被稱為物質狀態，但這個術語可能會與熱力學狀態混淆。例如，兩種在不同壓力下保持的氣體處於不同的熱力學狀態，但處於相同的“物質狀態”。
雖然相在概念上很簡單，但很難精確地定義。對系統相的一個好的定義是在系統熱力學變數的引數空間中的一個區域，在這個區域中自由能是解析的。等效地，如果系統的兩個狀態可以在其任何熱力學性質沒有突然變化的情況下相互轉化，則它們處於同一相中。
系統的全部熱力學性質——熵，熱容，磁化強度，壓縮率等等——都可以用自由能及其導數來表示。例如，熵只是自由能對溫度的一階導數。只要自由能保持解析，所有熱力學性質都將表現良好。
當系統從一個相變到另一個相時，通常會有一個階段，自由能是非解析的。這被稱為相變。相變的常見例子是熔化（固體變為液體），凝固（液體變為固體），沸騰（液體變為氣體）和冷凝（氣體變為液體）。由於這種非解析性，過渡兩側的自由能是兩個不同的函式，因此一個或多個熱力學性質將在過渡後表現出非常不同的行為。在這種情況下最常檢查的屬性是熱容。在過渡過程中，熱容可能變得無窮大，突然跳到不同的值，或者在其導數中表現出“扭結”或不連續性。
熱容 (C) 對溫度 (T) 在相變時的可能曲線圖。
在實踐中，每種型別的相都是透過少量相關的熱力學性質來區分的。例如，固體的區別特徵是它的剛性；與液體或氣體不同，固體不易改變形狀。液體與氣體的區別在於它們具有低得多的壓縮率：放置在大型容器中的氣體膨脹以充滿容器，而液體則在容器底部形成水坑。並非所有固體、液體和氣體的性質都不同；例如，比較它們的磁性並不有用。另一方面，磁性材料的鐵磁相與順磁相的區別在於，在沒有施加磁場的情況下存在體磁化。
相是湧現現象，由大量粒子的自組織產生。例如，典型的物質樣本包含大約 1023 個粒子（阿伏伽德羅常數）。在太小的系統中——甚至，比如說，一千個原子——相之間的區別就會消失，因為自由能中非解析性的出現需要存在大量（形式上是無限的）粒子。
人們可能會問為什麼實際系統會表現出相，因為它們實際上並不是無限的。原因是實際系統包含熱力學漲落。當系統遠離相變時，這些漲落並不重要，但當它接近相變時，漲落開始在大小（即空間範圍）上增長。在理想的過渡點，它們的大小將是無限的，但在那之前，漲落將變得與系統本身一樣大。在這個區域，“有限尺寸”效應開始發揮作用，我們無法準確地預測系統的行為。因此，實際系統中的相僅在遠離相變時才定義明確，需要遠離多遠取決於系統的大小。
相現象的湧現性質有一個推論，被稱為普遍性原理。相的性質在很大程度上獨立於底層的微觀物理學，因此相同型別的相出現在各種各樣的系統中。這是生活中熟悉的事實。例如，我們知道定義固體的性質——抵抗變形——是由鐵、冰和神奇膠泥等各種材料表現出來的。唯一的區別是規模問題。鐵可能比神奇膠泥更能抵抗變形，但如果施加的力不太大，它們都會保持形狀。
系統的不同相可以使用相圖來表示。圖表的軸是相關的熱力學變數。對於簡單的機械系統，我們通常使用壓力和溫度。下圖顯示了典型材料的相圖，該材料表現出固體、液體和氣體相。
一個典型的相圖。
相圖上的標記顯示了自由能是非解析的點。自由能是解析的開放空間對應於相。相透過非解析性的線（發生相變的地方）隔開，這些線被稱為相邊界。
在上圖中，液態和氣態之間的相界並不無限延伸。相反，它在相圖上的一個點終止，這個點被稱為臨界點。這反映了這樣一個事實，即在極高的溫度和壓力下，液態和氣態變得無法區分。在水中，臨界點出現在大約 647 K (374 °C 或 705 °F) 和 22.064 MPa。
液態-氣態臨界點的存在揭示了我們上述定義中的一個細微的模糊性。從液態到氣態通常會跨越相界，但可以透過臨界點右側的路徑選擇一條不跨越相界的路徑。因此，相有時可以連續地相互融合。但是，我們應該注意，這並不總是發生。例如，固態-液態相界不可能像液態-氣態相界那樣以臨界點結束，因為固態和液態具有不同的對稱性。
值得注意的是，大多數物質（如上圖所示）的相圖中固態-液態相界具有正斜率。這是因為固態的密度比液態高，因此增加壓力會增加熔點。然而，在水的相圖中，固態-液態相界具有負斜率。這反映了一個事實，即冰的密度低於水，這對材料來說是一個不尋常的性質。
許多物質可以以多種固態相存在，每種相對應於獨特的晶體結構。同一物質的這些不同的晶體相被稱為多晶型物。金剛石和石墨是碳的多晶型物例子。石墨由六邊形排列的碳原子層組成，其中每個碳原子與同一層中的三個相鄰原子牢固結合，並且與相鄰層中的原子弱結合。相反，在金剛石中，每個碳原子與立方陣列中的四個相鄰碳原子牢固結合。石墨和金剛石獨特的晶體結構導致了這兩種材料的截然不同的性質。
給定物質的每種多晶型物通常只在特定條件範圍內穩定。例如，金剛石只有在極高的壓力下才穩定。石墨是在正常大氣壓下碳的穩定形式。雖然金剛石在大氣壓下不穩定，應該轉變為石墨，但我們知道金剛石在這些壓力下存在。這是因為在正常溫度下，金剛石到石墨的轉變極其緩慢。如果我們要加熱金剛石，轉變速率會增加，金剛石會變成石墨。然而，在正常溫度下，金剛石可以持續很長時間。像金剛石這樣的非平衡相，在很長一段時間記憶體在被稱為亞穩態。
亞穩態多晶型物的另一個重要例子發生在鋼鐵加工過程中。鋼材經常經過各種熱處理，旨在產生穩定和亞穩態鐵相的各種組合。透過這種方式，透過控制形成的各種相的相對含量和晶體尺寸，可以調節鋼材的效能，如硬度和強度。
系統的不同部分可能存在於不同的相中，在這種情況下，相通常由邊界表面隔開。
吉布斯相律描述了在各種條件下，給定系統中可以存在於平衡狀態下的相數。相律表明，對於單組分系統，最多可以存在三個相（通常為氣態、液態和固態）處於平衡狀態。這三個相僅能在材料的特徵溫度和壓力下共存，稱為三相點。兩個相變得無法區分的條件稱為臨界點。相律還表明，兩個相只能在特定溫度和壓力的組合下共存。例如，對於液態-氣態系統，如果蒸汽壓低於與溫度相對應的蒸汽壓，則系統將不處於平衡狀態，而是液體會蒸發，直到蒸汽壓達到適當的水平，或者所有液體都消耗掉。同樣地，如果蒸汽壓對於給定的溫度過高，則會發生凝結。
對於多組分系統，相律表明可能存在額外的相。一個常見的例子是相互不溶物質（如水和油）的混合物。如果將幾滴油倒入純水中，會有一小部分相互混合，但會有兩個不同的相：一個主要是油，另一個主要是水。相的確切組成將是溫度和壓力的函式，而不是油量的函式。可以透過改變溫度使其中一相消失：例如，如果混合物被加熱，則在某個溫度下，所有的油都可能溶解在水中。在這個溫度以上，只存在一個相，並且相的組成確實取決於加入的油量。
相分離也可能存在於二維。相之間的邊界、材料的表面以及單個材料的不同晶體學取向之間的晶界也可能表現出不同的相。例如，金屬和半導體表面的表面重構是二維相。
氣體是物質的四個相之一。氣體與液體一樣，是流體：它們能夠流動，不抵抗變形。然而，與液體不同，不受約束的氣體不會佔據固定的體積，而是膨脹以填充它們佔據的任何空間。氣體中的動能是物質狀態中最大的。由於這種動能增加，氣體原子和分子往往相互彈開，隨著動能的增加，它們彈開得更多。
物質的四個相之一，液體是一種流體，其體積在恆定溫度和壓力條件下是固定的；並且，其形狀通常由它填充的容器決定。
液體由於表面張力而傾向於自身凝聚成液滴。液體中的動能大於固體，但小於氣體。液體的原子/分子是“滑的”；也就是說，它們彼此滑動，允許液體流動。
如果液體在均勻的重力場中靜止，則任何一點的壓力由下式給出
其中是液體的密度（假設為常數），而是該點低於表面的深度。注意，這個公式假設在自由表面的壓力為零。
需要注意的是，在正常溫度下，玻璃不是“過冷液體”，而是固體。有關更多詳細資訊，請參閱玻璃文章。
固體是物質的一種狀態，其特點是具有確定的體積和確定的形狀（即它抵抗變形）。在固體中，原子/分子彼此靠近或“剛性”；然而，這並不能阻止固體變形或壓縮。在固體物質相中，原子具有空間排序；因為所有物質都具有一定的動能，即使是最堅硬的固體中的原子也會輕微移動，但這種移動是“不可見的”。
物理學家將對固體的研究稱為固體物理學。這包括半導體和超導性。固體物理學是凝聚態物理學的一種型別。
材料科學主要關注固體的特性，例如強度和相變。它與固體物理學密切相關。
固態化學與這兩個領域都有交叉，但特別關注新型材料的合成。
- Science Daily, 2003-10-10: 玻色子的金屬相意味著新的物質狀態
- 2004-01-15, ScienceDaily: 可能發現了新的超固態物質狀態 引文：“...我們似乎首次觀察到了一種具有超流體特性的固體材料...但由於其所有粒子都處於相同的量子態，因此即使其組成粒子不斷流動，它仍然保持固體...”
- 2004-01-29, Sciencedaily: NIST/科羅拉多大學科學家創造了新的物質形式：費米子凝聚態