Biografia lui James Watt, Inventorul modern al motorului cu abur

James Watt (19 ianuarie 1736 - 25 august 1819) a fost un inventator, inginer și chimist scoțian. A dezvoltat o viabilă motor cu aburi care a folosit un condensator separat; această inovație a făcut ca motorul cu aburi să fie un instrument util pentru o gamă vastă de utilizări. În multe privințe, invenția lui Watt - sau mai bine zis îmbunătățirea sa față de o invenție anterioară, motorul cu aburi Newcomen - a fost un impuls tehnologic din spatele Revolutia industriala.

Fapte rapide: James Watt

James Watt s-a născut la 19 ianuarie 1736, în Greenock, Scoția, ca singurul copil supraviețuitor din patru dintre James Watt (1699-1737) și Agnes Muirhead (1901-1754). Greenock a fost un sat de pescari care în timpul vieții lui Watt a devenit un oraș aglomerat cu o flotă de vapoare. Bunicul lui James Jr., Thomas Watt (1642–1734) a fost un cunoscut matematician și maestru școlar local. James Sr. a fost un cetățean proeminent al Greenock și un dulgher de succes și lustru al navei care a lucrat la dotarea navelor și a lucrat la instrumentele, busolele și cadranele lor. În diferite momente, James Sr. a fost și magistratul șef și trezorierul orașului.

James Watt era inteligent, dar din cauza sănătății precare nu a putut să frecventeze școala în mod regulat. În schimb, el a dobândit abilitățile de care avea nevoie mai târziu Inginerie și instrumentar lucrând cu tatăl său la proiecte de tâmplărie. La vârsta de 6 ani, James Watt rezolva probleme geometrice și conducea cea mai timpurie investigație a naturii aburului, care presupunea experimentarea cu ceainicul de ceai al mamei sale. În copilărie, Watt era un cititor avid și găsea ceva care să-l intereseze în fiecare carte care îi intra în mâini.

Când Watt a fost trimis în sfârșit la școala din sat, starea sa de sănătate i-a împiedicat să progreseze rapid; Abia la 13 sau 14 ani a început să-și manifeste abilitățile, în special în matematică. Timpul liber a fost petrecut schițând cu creionul, sculptând și lucrând la banca de scule cu lemn și metal. A făcut multe lucrări mecanice ingenioase și câteva modele frumoase și s-a bucurat să repare instrumente nautice.

După ce mama sa a murit în 1754, Watt, în vârstă de 18 ani, a fost trimis la Glasgow pentru a se antrena ca un negustor cu unchiul său, John Muirhead. Una dintre rudele mamei sale a fost președintele departamentului de limbi și științe orientale la Glasgow College, iar Watt a devenit membru al societății literare de acolo. De asemenea, a întâlnit alți savanți la Glasgow care s-ar dovedi influenți și susținători ai carierei sale: Robert Dick, profesor de filozofie naturală, Robert Simpson în matematică și William Cullen în medicină și chimie.

Dick a fost cel care a sugerat ca Watt să meargă la Londra pentru a se pregăti ca producător de instrumente de matematică. Cu o scrisoare de prezentare, Watt a plecat la Londra în 1755 și a început să lucreze cu producătorul de instrumente John Morgan. Watt nu a fost oficial un ucenic, dar a lucrat la instrumentarea mecanică: Morgan a crezut că este talentat, dar a luat prea mult timp pentru a-și finaliza munca. Locul de muncă cu Morgan s-a încheiat în iunie 1756, iar Dick i-a obținut o poziție pe termen scurt pentru a lucra la un ceas astronomic, reflectând telescoape și instrumente de tranzit. Watt s-a întors la Greenock la sfârșitul anului, dar s-a întors în curând la Glasgow, unde a început o mică afacere în fabricarea cadranelor. A fost numit producător de instrumente matematice la Glasgow College, susținut de înlocuitorul lui Dick John Anderson, și de înlocuitorul și chimistul lui Cullen Joseph Black (1728–1799). Negrul este cel mai cunoscut pentru munca sa asupra căldurilor latente și specifice și pentru descoperirea dioxidului de carbon, urmând să devină un susținător ferm al Watt.

În 1759, John Robison, student la Glasgow, i-a arătat lui Watt un model al Motor nou cu abur și a sugerat că ar putea fi folosit pentru propulsarea căruțelor. Newcomen a fost inventat și patentat în 1703 de către Thomas Newcomen (1664-1729), iar Watt a început să construiască modele miniaturale care folosesc cilindri de aburi din staniu și pistoane atașate la roțile de conducere de un sistem de angrenaje. În propriile sale experimente, el a folosit, la început, încercările de apotecare și bastoanele goale pentru rezervoarele și conductele de aburi, iar mai târziu un digestor Papin și o seringă comună. Această din urmă combinație a făcut un motor necontrolant, în care a folosit abur la o presiune de 15 kilograme pe inch pătrat. Robinetul a fost lucrat manual, iar James Watt a văzut că era nevoie de un angrenaj automat de supapă pentru a face o mașină de lucru. Totuși, acest experiment nu a dus la niciun rezultat practic și, în următorii câțiva ani, a abandonat această cercetare.

Watt a rămas la colegiu până în anii 1760, când a luat un parteneriat cu un comerciant numit John Craig, finanțat parțial cu Black. Unul dintre ei a fost producerea de alcali din sare - în secolul al XVIII-lea, alcalina nu putea fi produsă decât din plante. Craig și Watt au fost unul dintre mai mulți oameni care au căutat o modalitate de a-l crea chimic, un efort care nu a fost realizat până în 1820. Watt și Craig au lucrat și la cuptoare de ceramică și glazuri pentru fabricarea delftware-ului cu sticlă.

În 1764, Watt s-a căsătorit cu Margaret Millar, cunoscută sub numele de Peggy, un văr pe care îl cunoscuse încă de când erau copii. Aveau să aibă cinci copii, dintre care doar doi au trăit până la vârsta adultă: Margaret, născută în 1767 și James III, născut în 1769, care ca adult va deveni principalul partener de sprijin și partener de afaceri al tatălui său.

În iarna anilor 1763-1764, John Anderson de la Glasgow i-a cerut lui Watt să repare un model al motorului Newcomen. El a fost capabil să o facă să funcționeze, dar era curios de ce mașina consuma atât de mult abur și apă de condens. Watts a început să studieze istoria motorului cu aburi și a efectuat cercetări experimentale cu privire la proprietățile aburului.

Modelul motorului cu aburi Newcomen avea un cazan fabricat la scară și era incapabil să furnizeze suficient abur pentru a alimenta un motor. Avea diametrul de aproximativ nouă centimetri; cilindrul cu abur avea un diametru de doi centimetri și avea o pistă de șase inci. Watt a realizat un cazan nou care putea măsura cantitatea de apă evaporată și aburul condensat la fiecare cursă a motorului.

În curând, Watt a descoperit că motorul necesita o cantitate foarte mică de abur pentru a încălzi o cantitate foarte mare de apă. El a început imediat să determine cu precizie greutățile relative ale aburului și ale apei din cilindrul cu abur atunci când condensarea a avut loc la cursa în jos a motorului. James Watt a dovedit în mod independent existența „căldură latentă", care a fost descoperit de mentorul și susținătorul său Joseph Black. Watt a mers la Black cu cercetările sale, care și-a împărtășit cunoștințele cu Watt. Watt a descoperit că, la Punct de fierbere, aburul său de condensare era capabil să încălzească de șase ori greutatea sa de apă folosită pentru producere condensare.

Realizarea faptului că greutatea aburului pentru greutate a fost un absorbant și un rezervor de căldură mult mai mari decât apă, Watt a văzut importanța de a avea grijă mai mare pentru a-l economisi decât fusese anterior a încercat. La început, a economisit în cazan și a făcut cazane cu „scoici” din lemn pentru a preveni pierderile conducție și radiație. El a folosit, de asemenea, un număr mai mare de gaze decât Newcomen a trebuit să asigure o absorbție mai completă a căldurii din gazele cuptorului. De asemenea, și-a acoperit conductele de aburi cu materiale ne conductoare și a luat toate măsurile de precauție pentru a asigura utilizarea completă a căldurii combustie.

El a descoperit curând că sursele pierderilor de căldură din motorul Newcomen erau:

• Disiparea căldurii de către cilindrul în sine, care era din aramă și era atât un bun conductor cât și un bun calorifer.
• Pierderea de căldură cauzată de necesitatea răcirii cilindrului la fiecare cursă în producerea vid.
• Pierderea puterii datorită presiunii vaporilor de sub piston, care a fost o consecință a metodei imperfecte de condensare.

Prima sa încercare la un cilindru din material ne-conductor a fost făcută din lemn înmuiat în ulei și apoi coapte, ceea ce a mărit economia aburului. Apoi a efectuat o serie de experimente foarte precise cu privire la temperatura și presiunea aburului, măsurând cantitatea de abur folosită la fiecare cursă a motorului. El a putut să-și confirme concluzia anterioară că trei pătrimi din căldura furnizată motorului a fost irosită.

După investigațiile sale științifice, James Watt a lucrat la îmbunătățirea motorului cu aburi cu o înțelegere inteligentă a defectelor existente și o cunoaștere a cauzei lor. În curând, Watt a văzut că, pentru a reduce pierderile în funcționarea aburului în cilindrul cu abur, ar fi necesar să găsim o modalitate de a menține constant cilindrul la fel de fierbinte ca aburul care a intrat aceasta.

Potrivit lui James Watt: „Mi-a venit în minte ideea că, întrucât aburul era un corp elastic, se va grăbi în vid și, dacă s-au făcut comunicări între cilindru și un vas epuizat, s-ar grăbi în el și s-ar putea să fie condensat fără răcire cilindrul. Am văzut apoi că trebuie să scap de aburul condensat și apa de injecție dacă am folosit un jet, ca în motorul lui Newcomen. Mi s-au întâmplat două moduri de a face acest lucru: în primul rând, apa ar putea fi fugită de o conductă descendentă, dacă s-ar putea obține un jet de la adâncimea de 35 sau 36 de metri și orice aer ar putea fi extras de o pompă mică. Al doilea a fost acela de a face pompa suficient de mare pentru a extrage atât apa cât și aerul. "

El a continuat: „Când a fost analizată, invenția nu ar părea atât de grozavă pe cât părea să fie. În starea în care am găsit motorul cu aburi, nu a fost un efort mare de minte să observ că cantitatea de combustibil necesară pentru ca acesta să funcționeze ar împiedica pentru totdeauna utilitatea sa extinsă. Următorul pas în progresul meu a fost la fel de ușor - să întreb care a fost cauza marelui consum de combustibil. Acest lucru a fost, de asemenea, sugerat cu ușurință, de exemplu, risipa de combustibil necesară pentru a aduce întregul cilindru, piston, și părțile adiacente de la frigul apei până la căldura aburului, nu mai puțin de 15 până la 20 de ori într-un minut. "

James Watt a inventat condensatorul său important. A procedat la realizarea unui test experimental al noii sale invenții. Micul său model a funcționat foarte bine, iar perfecțiunea vidului a fost de așa natură încât mașina a ridicat o greutate de 18 kilograme suspendată de tija pistonului. El a construit apoi un model mai mare, iar rezultatul testului său a confirmat rezultatele primelor sale experimente.

Watt a fost nevoie de ani pentru a descoperi detaliile noului motor cu aburi. Pentru început, Watt a trebuit să găsească o modalitate de a împiedica condensatorul să se umple cu apă. A încercat mai multe abordări, inclusiv o pompă de aer, care a eliberat condensatorul de apă și aer care s-a colectat în condensator și a redus vidul. El a înlocuit ulterior uleiul și talpa pentru apa folosită pentru a unge pistonul, menținând aburul strâns și împiedicând răcirea cilindrului. O altă cauză de refrigerare a cilindrului și pierderea de energie în consecință a fost aceea a fost intrare de aer, care a urmat pistonul în jos pe cilindru la fiecare cursă, răcorindu-i interiorul a lua legatura. Inventatorul a împiedicat să se întâmple acest lucru acoperind partea superioară a cilindrului și înconjurând întregul cilindru cu un exterior carcasă sau „geacă de aburi”, care a permis aburului din cazan să treacă în jurul cilindrului de abur și să apese pe suprafața superioară a piston.

După ce și-a construit motorul experimental mai mare, Watt a închiriat o cameră într-o casă veche pustie. Acolo, a lucrat cu mecanicul Folm Gardiner. Watt tocmai l-a cunoscut pe John Roebuck, un medic bogat, care, împreună cu alți capitaliști scoțieni, fondase recent celebrul Carron Iron Works. Roebuck a început să sprijine financiar eforturile lui Watt și Watt i-a scris frecvent lui Roebuck descriind progresul său.

În august 1765, a încercat motorul mic și i-a scris lui Roebuck că a avut „un succes bun”, deși mașina era foarte imperfectă și l-a informat pe Roebuck că începe să facă modelul mai mare. În octombrie 1765, a terminat mașina cu abur mare. Motorul, deși era pregătit pentru încercare, era încă departe de a fi perfect. Cu toate acestea, a lucrat bine pentru o mașină atât de brută.

Din păcate, până în 1765, James Watt a fost redus la sărăcie și, după ce a împrumutat sume considerabile de la prieteni, a trebuit în sfârșit să caute un loc de muncă pentru a-și asigura familia. Pe o perioadă de aproximativ doi ani, s-a sprijinit ca inginer civil, cercetând și gestionând clădirea din mai multe canale din Scoția și explorarea câmpurilor de cărbune din cartierul Glasgow pentru magistrații din oraș. Nu a renunțat totuși la invenția sa.

În 1767, Roebuck și-a asumat datoriile lui Watt în valoare de 1.000 de lire sterline britanice și a acceptat să ofere mai mult capital în schimbul a două treimi din brevetul lui Watt. Un alt motor a fost construit cu un cilindru de abur cu diametrul de șapte sau opt inci, care a fost terminat în 1768. Acest lucru a funcționat suficient de bine pentru a induce partenerii să solicite un brevet, iar specificațiile și desenele au fost completate și prezentate în 1769.

De asemenea, Watt a construit și a creat mai multe motoare Newcomen, parțial, probabil, pentru a se familiariza cu mai multe detalii practice ale construirii de motoare. Între timp, el a pregătit planuri pentru și a construit un motor moderat de mare, de tipul său nou. Cilindrul său de abur avea un diametru de 18 inci, iar cursa pistonului era de 5 metri. Acest motor a fost construit la Kinneil și a fost terminat în septembrie 1769. Nu a fost deloc satisfăcător nici în construcția și nici în funcționarea sa. Condensatorul a fost un condensator de suprafață compus din conducte oarecum ca cele utilizate în primul său mic model și nu s-a dovedit a fi satisfăcător. Pistonul cu aburi a scurs serios, iar încercările repetate au servit doar pentru a face imperfecțiunile sale mai evidente. El a fost ajutat cu sprijin financiar și moral atât de Joseph Black cât și de John Roebuck, dar s-a simțit puternic cu privire la riscurile pe care le-a implicat prietenii săi în pierderi grave și a devenit foarte descurajat.

Scriind lui Black, Watt a spus: „Dintre toate lucrurile din viață, nu este nimic mai nechibzuit decât să inventăm; și probabil că majoritatea inventatorilor au fost conduși la aceeași părere de propriile lor experiențe. "

În 1768, James Watt a călătorit la Londra pentru a-și depune brevetul și pe drum l-a cunoscut pe Matthew Boulton. Boulton a fost proprietarul unei companii de producție din Birmingham, cunoscută sub numele de Soho Manufactory, care producea mărfuri mici din metal. Moștenise afacerile tatălui său și o construise considerabil. El și afacerea lui erau foarte cunoscuți la mișcarea de iluminism englez la mijlocul secolului 18.

Boulton era un bun savant, cu o cunoaștere considerabilă a limbilor și științei - în special a matematicii - în ciuda faptului că a părăsit școala ca băiat să meargă la muncă în magazinul tatălui său. În magazin, el a introdus în curând o serie de îmbunătățiri valoroase și a fost mereu în căutarea altor idei care ar putea fi introduse în afacerea sa.

A fost și membru al celebrului Societatea lunară din Birmingham, un grup de bărbați care s-au întâlnit pentru a discuta despre filozofia naturală, inginerie și dezvoltarea industrială: alți membri au inclus descoperitorul de oxigen Joseph Priestley,Erasmus Darwin (bunicul lui Charles Darwin) și olarul experimental Josiah Wedgewood. Watt s-a alăturat grupului după ce a devenit partenerul lui Boulton.

Un savant flamant și energic, Boulton a făcut cunoștință cu Benjamin Franklin în 1758, care a vizitat apoi Soho. Până în 1766, acești bărbați distinși erau corespondenți, discutând, printre altele, aplicabilitatea puterii cu aburi în diverse scopuri utile. Au proiectat o nouă motorizare cu aburi și Boulton a construit un model, care a fost trimis lui Franklin și expus de el la Londra. Nu trebuiau încă să conștientizeze existența lui James Watt.

Când Boulton l-a cunoscut pe Watt în 1768, i-a plăcut motorul său și a decis să cumpere un interes în brevet. Cu acordul lui Roebuck, Watt i-a oferit lui Boulton un interes de o treime. Deși au existat mai multe complicații, în cele din urmă, Roebuck a propus să transfere lui Matthew Boulton jumătate din proprietatea sa în invențiile lui Watt pentru suma de 1.000 de lire sterline. Această propunere a fost acceptată în noiembrie 1769.

În noiembrie 1774, Watt a anunțat în cele din urmă vechiului său partener Roebuck că a făcut o încercare de succes a motorului Kilmeil. Nu a scris cu entuziasmul și extravaganța lui obișnuite; în schimb, el a scris pur și simplu: „Motorul de pompieri pe care l-am inventat acum merge și răspunde mult mai bine decât oricare altul care a fost făcut încă și aștept ca invenţie va fi foarte benefic pentru mine. "

Un motiv al lipsei de entuziasm a fost acela că soția sa a murit în timpul nașterii anul precedent, în septembrie 1773. Heartsick, Watt s-a îngropat în lucru. De la mijlocul lunii februarie 1774 lucra la termometre și barometre. Și-a încheiat activitatea de inginerie civilă în Scoția (în parte din cauza unei crize financiare din Scoția), iar în mai a plecat spre sud spre Birmingham, unde s-a alăturat societății lunare. În 1775, a intrat într-un parteneriat cu normă întreagă cu Matthew Boulton.

Din acel moment, firma Boulton și Watt a fost capabilă să producă o serie de motoare de lucru cu aplicații din lumea reală. Noi inovații și brevete au fost scoase pentru mașini care ar putea fi utilizate pentru șlefuire, țesut și frezare. Motoarele cu aburi au fost utilizate pentru transport atât pe uscat, cât și pe apă. Aproape fiecare invenție de succes și importantă care a marcat istoria puterii cu abur timp de mulți ani își au originea în atelierele Boulton și Watt.

Lucrarea lui Watt cu Boulton l-a transformat într-o figură de statură internațională în rândul oamenilor de scrisori. Brevetul său de 25 de ani i-a adus avere; iar el și Boulton au devenit lideri în Iluminismul tehnologic din Anglia, cu o reputație solidă pentru inginerie inovatoare. Watt s-a căsătorit cu Ann Macgregor în 1776 și au avut doi copii (Gregory și Jessy), amândoi morți. James Watt Jr., fiul său de la prima sa soție, a supraviețuit tatălui său și a continuat să joace un rol în iluminarea engleză continuă.

Ca urmare a parteneriatului său cu Matthew Boulton, James Watt a devenit un om foarte bogat, construind un conac elegant cunoscut sub numele de „Heathfield House” în Handsworth, Staffordshire. S-a retras în 1800 și și-a petrecut restul vieții în timpul liber și călătorind în vizită la prieteni și familie. A murit la 25 august 1819, la Heathfield. A fost înmormântat în cimitirul bisericii Sf. Maria din Handsworth.

Într-un mod foarte semnificativ, invențiile lui Watt au inspirat revoluția industrială și inovațiile din epoca modernă, de la automobile și trenuri până la fabrici și problemele sociale care au evoluat ca o rezultat. În plus, numele lui Watt a fost atașat străzilor, muzeelor ​​și școlilor. Povestea sa a inspirat cărți, filme și opere de artă, inclusiv statui în grădinile Piccadilly și în Catedrala Sf. Paul.

Pe statuia de la Sf. Paul sunt gravate cuvintele: "James Watt... a extins resursele țării sale, a crescut puterea omului și s-a ridicat într-un loc eminent printre cei mai ilustri adepți ai științei și adevărații binefăcători ai lume."

• Jones, Peter M. "Trăind iluminismul și revoluția franceză: James Watt, Matthew Boulton și fiii lor." Jurnalul istoric 42.1 (1999): 157–82. Imprimare.
• Hills, Richard L. "Puterea de la Steam: o istorie a motorului de abur staționar." Cambridge: Cambridge University Press, 1993.
• Miller, David Philip. "„Puffing Jamie”: Importanța comercială și ideologică de a fi „filosof” în cazul reputației lui James Watt (1736-1819)." Istoria științei 38.1 (2000): 1–24. Imprimare.
• "Viața și legenda lui James Watt: colaborare, filozofie naturală și îmbunătățirea motorului cu aburi". Pittsburgh: University of Pittsburgh Press, 2019.
• Pugh, Jennifer S. și John Hudson. "Opera chimică a lui James Watt, F.R.S." Note și înregistrări ale Royal Society of London 40.1 (1985): 41–52. Imprimare.
• Russell, Ben. "James Watt: Face the World Anew". Londra: Muzeul Științei, 2014.
• Wright, Michael. "James Watt: Creatorul de instrumente muzicale." Jurnalul Societății Galpin 55 (2002): 104–29. Imprimare.