Biografia Jamesa Watta, Modern Steam Engine Inventor

James Watt (19 stycznia 1736–25 sierpnia 1819) był szkockim wynalazcą, inżynierem i chemikiem. Opracował wykonalne silnik parowy wykorzystujący oddzielny skraplacz; dzięki tej innowacji silnik parowy stał się użytecznym narzędziem do szerokiego zakresu zastosowań. Pod wieloma względami wynalazek Watta - a raczej jego ulepszenie w stosunku do wcześniejszego wynalazku, silnika parowego Newcomen - był technologicznym impulsem Rewolucja przemysłowa.

Najważniejsze fakty: James Watt

James Watt urodził się 19 stycznia 1736 r. W Greenock w Szkocji jako jedyne ocalałe dziecko czwórki Jamesa Watta (1699–1737) i Agnes Muirhead (1901–1754). Greenock to wioska rybacka, która za życia Watta stała się ruchliwym miastem z flotą statków parowych. Dziadek Jamesa Jr. Thomas Watt (1642–1734) był znanym matematykiem i lokalnym nauczycielem. James Sr. był wybitnym obywatelem Greenocka i odnoszącym sukcesy stolarzem i handlarzem statków, który pracował przy wyposażaniu statków oraz przy ich instrumentach, kompasach i kwadrantach. W różnych okresach James Senior był także głównym sędzią i skarbnikiem miasta.

James Watt był inteligentny, ale z powodu złego stanu zdrowia nie mógł regularnie chodzić do szkoły. Zamiast tego zyskał umiejętności, które później będą mu potrzebne Inżynieria i oprzyrządowanie, współpracując z ojcem przy projektach stolarskich. W wieku 6 lat James Watt rozwiązał problemy geometryczne i przeprowadził swoje najwcześniejsze badanie natury pary, które polegało na eksperymentowaniu z czajnikiem jego matki. W dzieciństwie Watt był zapalonym czytelnikiem i znalazł coś, co zainteresowałoby go w każdej książce, która trafiła w jego ręce.

Kiedy Watt został w końcu wysłany do wiejskiej szkoły, jego zły stan zdrowia uniemożliwił mu szybki postęp; Dopiero gdy miał 13 lub 14 lat, zaczął wykazywać swoje umiejętności, szczególnie w matematyce. Wolny czas spędzał na szkicowaniu ołówkiem, rzeźbieniu i pracy na stole narzędziowym z drewna i metalu. Wykonał wiele genialnych prac mechanicznych i kilka pięknych modeli i lubił naprawiać instrumenty morskie.

Po śmierci matki w 1754 r. 18-letni Watt został wysłany do Glasgow na szkolenie kupca ze swoim wujem Johnem Muirheadem. Jednym z krewnych jego matki był kierownik wydziału języków orientalnych i humanistycznych w Glasgow College, a Watt został członkiem tamtejszego stowarzyszenia literackiego. Spotkał się także z innymi uczonymi w Glasgow, którzy okażą się wpływowi i wspierają jego karierę: Robert Dick, profesor filozofii naturalnej, Robert Simpson w matematyce i William Cullen w medycynie i chemii.

To Dick zasugerował, aby Watt pojechał do Londynu, aby odbyć szkolenie jako producent instrumentów matematycznych. Z listem wprowadzającym Watt wyjechał do Londynu w 1755 roku i rozpoczął współpracę z producentem instrumentów Johnem Morganem. Watt nie był oficjalnie uczniem, ale pracował nad oprzyrządowaniem mechanicznym: Morgan myślał, że jest utalentowany, ale ukończenie pracy zajęło mu zbyt dużo czasu. Praca z Morganem zakończyła się w czerwcu 1756 r., A Dick zapewnił mu krótkoterminową pozycję do pracy z zegarem astronomicznym, odbijającym teleskopy i przyrządy tranzytowe. Pod koniec roku Watt wrócił do Greenock, ale wkrótce wrócił do Glasgow, gdzie założył małą firmę zajmującą się tworzeniem ćwiartek. Został mianowany producentem instrumentów matematycznych w Glasgow College, wspierany przez zastępcę Dicka Johna Andersona oraz zastępcę i chemika Cullena Joseph Black (1728–1799). Black jest najbardziej znany z pracy nad utajonymi i specyficznymi upałami oraz z odkrycia dwutlenku węgla, i miał stać się zagorzałym zwolennikiem Watta.

W 1759 roku John Robison, student z Glasgow, pokazał Wattowi model Nowy silnik parowy i zasugerował, że można go użyć do napędzania wagonów. Newcomen został wynaleziony i opatentowany w 1703 roku przez Thomasa Newcomena (1664–1729), a Watt zaczął budować miniaturowe modele wykorzystujące blaszane cylindry parowe i tłoki przymocowane do kół napędowych za pomocą układu kół zębatych. W swoich własnych eksperymentach wykorzystywał początkowo próby aptekarskie i wydrążone laski do zbiorników pary i rur, a następnie fermentator Papina i wspólną strzykawkę. Ta ostatnia kombinacja stworzyła silnik bez kondensacji, w którym używał pary pod ciśnieniem 15 funtów na cal kwadratowy. Zawór pracował ręcznie, a James Watt zauważył, że do stworzenia działającej maszyny potrzebny jest automatyczny mechanizm zaworowy. Ten eksperyment nie przyniósł jednak żadnych praktycznych rezultatów i przez kilka następnych lat porzucił te badania.

Watt pozostał w szkole aż do lat 60. XVII wieku, kiedy to podjął współpracę z kupcem imieniem John Craig, finansowanym częściowo z Black. Jednym z ich przedsięwzięć była produkcja alkaliów z soli - w XVIII wieku alkalia mogły być wytwarzane tylko z roślin. Craig i Watt byli jedną z kilku osób, które szukają sposobu na stworzenie go chemicznie, a wysiłek ten został osiągnięty dopiero w 1820 roku. Watt i Craig pracowali także nad piecami ceramicznymi i szkliwami do produkcji blaszanych wyrobów delfinowych.

W 1764 Watt poślubił Margaret Millar, znaną jako Peggy, kuzynkę, którą znał od dzieciństwa. Mieli mieć pięcioro dzieci, z których tylko dwoje żyło do dorosłości: Margaret, urodzona w 1767 r., I Jakub III, urodzony w 1769 r., Który jako dorosły stałby się głównym wsparciem i partnerem biznesowym ojca.

Zimą 1763–1764 John Anderson z Glasgow poprosił Watta o naprawę modelu silnika Newcomen. Był w stanie uruchomić go, ale był ciekawy, dlaczego urządzenie zużywa tak dużo pary i skrapla wodę. Watts zaczął studiować historię silnika parowego i przeprowadził eksperymentalne badania właściwości pary.

Model silnika parowego Newcomen miał kocioł, który został wykonany w odpowiedniej skali i nie był w stanie dostarczyć wystarczającej ilości pary do zasilania silnika. Miał około dziewięciu cali średnicy; cylinder parowy miał dwa cale średnicy i miał sześciocentymetrowy skok tłoka. Watt stworzył nowy kocioł, który może mierzyć ilość odparowanej wody i pary skraplanej przy każdym suwie silnika.

Watt wkrótce odkrył, że silnik wymaga bardzo małej ilości pary do podgrzania bardzo dużej ilości wody. Natychmiast zaczął precyzyjnie określać względne ciężary pary i wody w cylindrze parowym, gdy kondensacja miała miejsce przy skoku w dół silnika. James Watt niezależnie udowodnił istnienie „Ciepło, ”który odkrył jego mentor i zwolennik Joseph Black. Watt poszedł do Blacka ze swoimi badaniami, który podzielił się swoją wiedzą z Wattem. Watt stwierdził, że w temperatura wrzeniajego skraplająca się para mogła podgrzać sześciokrotnie masę wody użytej do produkcji kondensacja.

Zdając sobie sprawę z tego, że ciężar pary dla ciężaru był znacznie większy niż absorbent i zbiornik ciepła wody, Watt zauważył, że ważniejsza jest oszczędność niż wcześniej próbował. Początkowo oszczędzał na kotle i budował kotły z drewnianymi „skorupami”, aby zapobiec stratom przewodzenie i promieniowanie. Użył także większej liczby spalin niż musiał Newcomen, aby zapewnić pełniejszą absorpcję ciepła z gazów z pieca. Pokrył również swoje rury parowe nieprzewodzącymi materiałami i podjął wszelkie środki ostrożności, aby zapewnić pełne wykorzystanie ciepła spalanie.

Wkrótce odkrył, że źródłem strat ciepła w silniku Newcomen były:

• Rozpraszanie ciepła przez sam cylinder, który był z mosiądzu i był zarówno dobrym przewodnikiem, jak i dobrym grzejnikiem.
• Utrata ciepła wynikająca z konieczności schładzania cylindra przy każdym skoku przy produkcji odkurzać.
• Utrata mocy z powodu ciśnienia pary pod tłokiem, co było konsekwencją niedoskonałej metody kondensacji.

Pierwszą próbę zastosowania cylindra z nieprzewodzącego materiału wykonano z drewna nasączonego olejem, a następnie wypalonego, co zwiększyło ekonomię pary. Następnie przeprowadził serię bardzo dokładnych eksperymentów dotyczących temperatury i ciśnienia pary, mierząc ilość pary zużywanej przy każdym suwie silnika. Był w stanie potwierdzić swój poprzedni wniosek, że trzy czwarte ciepła dostarczonego do silnika zostało zmarnowane.

Po swoich badaniach naukowych James Watt pracował nad udoskonaleniem silnika parowego dzięki inteligentnemu zrozumieniu jego istniejących wad i znajomości ich przyczyny. Watt wkrótce zauważył, że aby zmniejszyć straty w pracy pary w cylindrze parowym, należałoby znaleźć sposób, aby stale utrzymywać cylinder tak gorący, jak para, która weszła to.

Według Jamesa Watta: „Przyszedł mi do głowy pomysł, że skoro para była elastycznym ciałem, wpadłaby w próżnię, a jeśli nawiązano komunikację między cylindrem a wyczerpanym naczyniem, wpadłoby do niego i mogłoby być tam skondensowane bez chłodzenia cylinder. Potem zobaczyłem, że muszę pozbyć się skroplonej pary i wody do wtrysku, jeśli użyłem strumienia, jak w silniku Newcomena. Przyszły mi do głowy dwa sposoby: po pierwsze, woda może spływać zstępującą rurą, jeśli strumień odrzutowy mógłby dostać się na głębokość 35 lub 36 stóp, a każde powietrze może być wydobywane przez małą pompę. Po drugie, aby pompa była wystarczająco duża, aby wydobywać zarówno wodę, jak i powietrze ”.

Kontynuował: „Po przeanalizowaniu wynalazek nie wydawałby się tak wspaniały, jak się wydawało. W stanie, w którym znalazłem silnik parowy, nie było wielkiego wysiłku, aby zauważyć, że ilość paliwa niezbędna do jego działania na zawsze uniemożliwi jego rozległe zastosowanie. Następny krok w moich postępach był równie łatwy - dowiedzieć się, co było przyczyną wielkiego zużycia paliwa. To również zostało łatwo zasugerowane, a mianowicie marnotrawstwa paliwa, które było konieczne, aby doprowadzić cały cylinder, tłok, oraz sąsiednie części, od zimnej wody po ciepło pary, nie mniej niż od 15 do 20 razy na minutę. ”

James Watt wynalazł swój niezwykle ważny oddzielny skraplacz. Następnie przystąpił do eksperymentalnego testu swojego nowego wynalazku. Jego mały model działał bardzo dobrze, a doskonałość próżni była taka, że ​​maszyna podniosła 18-funtowy ciężar zawieszony na tłoczysku. Następnie skonstruował większy model, a wynik jego testu potwierdził wyniki jego pierwszych eksperymentów.

Wiele lat zajęło Wattowi zrozumienie szczegółów nowego silnika parowego. Na początek Watt musiał znaleźć sposób, aby zapobiec napełnieniu skraplacza wodą. Próbował kilku podejść, w tym pompy powietrznej, która odciążyła skraplacz wody i powietrza, które zebrało się w skraplaczu i zmniejszyła próżnię. Następnie podmienił olej i łój na wodę używaną do smarowania tłoka, utrzymując szczelność pary i zapobiegając chłodzeniu cylindra. Inną przyczyną chłodzenia cylindra i wynikającego z niego marnotrawstwa energii podczas jego pracy był wlot powietrza, który podążał za tłokiem w dół cylindra przy każdym suwie, chłodząc jego wnętrze kontakt. Wynalazca zapobiegał temu, pokrywając górną część cylindra i otaczając cały cylinder zewnętrznym obudowa lub „płaszcz parowy”, który pozwalał na przepływ pary z kotła wokół cylindra parowego i dociśnięcie górnej powierzchni tłok.

Po zbudowaniu swojego większego silnika eksperymentalnego Watt wynajął pokój w starej opuszczonej chacie. Tam pracował z mechanikiem Folm Gardiner. Watt właśnie poznał Johna Roebucka, bogatego lekarza, który wraz z innymi szkockimi kapitalistami założył niedawno słynną Carron Iron Works. Roebuck zaczął wspierać wysiłki Watta finansowo, a Watt często pisał do niego, opisując swoje postępy.

W sierpniu 1765 roku wypróbował mały silnik i napisał Roebuck, że ma „dobry sukces”, chociaż maszyna była bardzo niedoskonała, i poinformował Roebuck, że zaczyna produkować większy model. W październiku 1765 r. Ukończył duży silnik parowy. Silnik, choć gotowy do wypróbowania, wciąż był daleki od ideału. Niemniej jednak spisał się dobrze na tak prymitywnej maszynie.

Niestety do 1765 r. James Watt popadł w biedę, a po pożyczeniu znacznych sum od przyjaciół w końcu musiał szukać pracy, aby utrzymać rodzinę. W ciągu około dwóch lat utrzymywał się jako inżynier budowlany, badając i zarządzając budynkiem kilka kanałów w Szkocji i eksploracja złóż węgla w okolicach Glasgow dla magistratów Miasto. Nie zrezygnował jednak całkowicie ze swojego wynalazku.

W 1767 r. Roebuck przejął zobowiązania Watta w wysokości 1000 funtów brytyjskich i zgodził się zapewnić więcej kapitału w zamian za dwie trzecie patentu Watta. Kolejny silnik został zbudowany z cylindrem parowym o średnicy siedmiu lub ośmiu cali, który został ukończony w 1768 roku. Działało to wystarczająco dobrze, aby skłonić partnerów do złożenia wniosku o patent, a specyfikacje i rysunki zostały ukończone i przedstawione w 1769 r.

Watt również zbudował i skonfigurował kilka silników Newcomen, być może częściowo, aby lepiej poznać praktyczne szczegóły budowy silnika. W międzyczasie przygotował plany i zbudował umiarkowanie duży silnik własnego nowego typu. Cylinder parowy miał średnicę 18 cali, a skok tłoka wynosił 5 stóp. Silnik ten został zbudowany w Kinneil i został ukończony we wrześniu 1769 roku. Nie wszystko było zadowalające zarówno pod względem budowy, jak i działania. Skraplacz był powierzchniowym skraplaczem złożonym z rur nieco podobnych do tych zastosowanych w jego pierwszym małym modelu i nie okazał się wystarczająco szczelny. Tłok parowy przeciekł poważnie, a powtarzane próby tylko uwidoczniły jego niedoskonałości. Joseph Black i John Roebuck otrzymali wsparcie finansowe i moralne, ale czuł się tak zdecydowanie o ryzyku związanym z zaangażowaniem swoich przyjaciół w poważne straty i stał się bardzo przygnębiony.

Watt do Blacka Watt powiedział: „Ze wszystkich rzeczy w życiu nie ma nic bardziej głupiego niż wymyślanie; i prawdopodobnie większość wynalazców doprowadziła do takiej samej opinii na podstawie własnych doświadczeń. ”

W 1768 roku James Watt udał się do Londynu, aby złożyć swój patent, i po drodze spotkał Matthew Boultona. Boulton był właścicielem firmy produkcyjnej Birmingham znanej jako Manufaktura Soho, która produkowała drobne wyroby metalowe. Odziedziczył interes ojca i znacznie go rozwinął. On i jego firma byli bardzo dobrze znani w angielskim XVIII-wiecznym ruchu oświeceniowym.

Boulton był dobrym uczonym, ze znaczną znajomością języków i nauk ścisłych - zwłaszcza matematyki - pomimo tego, że jako chłopiec porzucił szkołę, aby pójść do pracy w sklepie ojca. W sklepie wkrótce wprowadził wiele cennych ulepszeń i zawsze szukał innych pomysłów, które mogłyby zostać wprowadzone do jego firmy.

Był także członkiem słynnego Lunar Society of Birmingham, grupa mężczyzn, którzy spotkali się w celu wspólnego omówienia filozofii przyrody, inżynierii i rozwoju przemysłowego: inni członkowie obejmowali odkrywcę tlenu Joseph Priestley,Erasmus Darwin (dziadek Charlesa Darwina) i eksperymentalny garncarz Josiah Wedgewood. Watt dołączył do grupy po tym, jak został partnerem Boulton.

Ekstrawagancki i energiczny uczony Boulton poznał Benjamin Franklin w 1758 roku, który następnie odwiedził Soho. Do 1766 r. Ci wybitni mężczyźni odpowiadali, dyskutując między innymi o możliwości wykorzystania siły pary do różnych użytecznych celów. Zaprojektowali nowy silnik parowy, a Boulton zbudował model, który został wysłany do Franklina i wystawiony przez niego w Londynie. Musieli jeszcze uświadomić sobie istnienie Jamesa Watta.

Kiedy Boulton poznał Watta w 1768 roku, spodobał mu się jego silnik i postanowił kupić zainteresowanie patentem. Za zgodą Roebucka Watt zaoferował Boultonowi jedną trzecią odsetek. Chociaż było kilka komplikacji, ostatecznie Roebuck zaproponował przeniesienie na Matthew Boultona połowy swojej własności wynalazków Watta za sumę 1000 funtów. Ta propozycja została przyjęta w listopadzie 1769 r.

W listopadzie 1774 r. Watt ogłosił wreszcie swojemu staremu partnerowi Roebuckowi, że przeprowadził udaną próbę silnika Kilmeil. Nie pisał ze zwykłym entuzjazmem i ekstrawagancją; zamiast tego po prostu napisał: „Samochód strażacki, który wynalazłem, jedzie teraz i odpowiada znacznie lepiej niż jakikolwiek inny, który został jeszcze wykonany, i spodziewam się, że wynalazek będzie dla mnie bardzo korzystne ”.

Jednym z powodów jego braku entuzjazmu było to, że jego żona zmarła podczas porodu w poprzednim roku, we wrześniu 1773 roku. Serce, Watt pochował się w pracy. Od połowy lutego 1774 r. Pracował nad termometrami i barometrami. Skończył swoją działalność w zakresie inżynierii lądowej w Szkocji (częściowo z powodu kryzysu finansowego w Szkocji), aw maju wyjechał na południe do Birmingham, gdzie dołączył do Towarzystwa Księżycowego. W 1775 roku nawiązał stałą współpracę z Matthew Boultonem.

Od tego momentu firma Boulton i Watt była w stanie wyprodukować szereg działających silników o rzeczywistych zastosowaniach. Wprowadzono nowe innowacje i patenty na maszyny, które można wykorzystać do szlifowania, tkania i frezowania. Silniki parowe zostały wykorzystane do transportu zarówno na lądzie, jak i na wodzie. Prawie każdy udany i ważny wynalazek, który oznaczał historia mocy pary od wielu lat wywodzi się z warsztatów Boulton i Watt.

Praca Watta z Boultonem przekształciła go w postać o międzynarodowej randze wśród ludzi listów. Jego 25-letni patent przyniósł mu bogactwo; a on i Boulton zostali liderami w dziedzinie oświecenia technologicznego w Anglii, ciesząc się dobrą reputacją innowacyjnej inżynierii. Watt ożenił się z Ann Macgregor w 1776 roku i mieli dwoje dzieci (Gregory i Jessy), którzy oboje umrą młodo. James Watt Jr., jego syn z pierwszej żony, przeżył ojca i odegrał rolę w dalszym oświeceniu angielskim.

W wyniku współpracy z Matthew Boultonem James Watt stał się bardzo bogatym człowiekiem, budując elegancką rezydencję znaną jako „Heathfield House” w Handsworth w Staffordshire. Przeszedł na emeryturę w 1800 roku i resztę życia spędził w wolnym czasie i podróżując, aby odwiedzić przyjaciół i rodzinę. Zmarł 25 sierpnia 1819 r. W Heathfield. Został pochowany na cmentarzu Kościoła Mariackiego w Handsworth.

W bardzo znaczący sposób wynalazki Watta pobudziły rewolucję przemysłową i innowacje współczesny wiek, od samochodów i pociągów po fabryki i problemy społeczne, które ewoluowały jako wynik. Ponadto nazwa Watta została dołączona do ulic, muzeów i szkół. Jego historia zainspirowała książki, filmy i dzieła sztuki, w tym posągi w ogrodach Piccadilly i katedrze św. Pawła.

Na posągu u św. Pawła wygrawerowane są słowa: „James Watt... powiększył zasoby swojego kraju, zwiększył potęga człowieka i wyrósł na wybitne miejsce wśród najwybitniejszych wyznawców nauki i prawdziwych dobroczyńców świat."

• Jones, Peter M. "Żyć oświeceniem i rewolucją francuską: James Watt, Matthew Boulton i ich synowie." The Historical Journal 42.1 (1999): 157–82. Wydrukować.
• Hills, Richard L. „Moc ze Steam: historia stacjonarnego silnika parowego”. Cambridge: Cambridge University Press, 1993.
• Miller, David Philip. "„Puffing Jamie”: komercyjne i ideologiczne znaczenie bycia „filozofem” w przypadku reputacji Jamesa Watta (1736–1819)." Historia nauki 38.1 (2000): 1–24. Wydrukować.
• „The Life and Legend of James Watt: Collaboration, Natural Philosophy and the Improvement of the Steam Engine”. Pittsburgh: University of Pittsburgh Press, 2019.
• Pugh, Jennifer S. i John Hudson. "The Chemical Work of James Watt, F.R.S." Notatki i rekordy Royal Society of London 40.1 (1985): 41–52. Wydrukować.
• Russell, Ben. „James Watt: Odrodzenie świata”. Londyn: Science Museum, 2014.
• Wright, Michael. "James Watt: Producent instrumentów muzycznych." The Galpin Society Journal 55 (2002): 104–29. Wydrukować.