James Watt è stato il padre della rivoluzione industriale; un inventore, ingegnere e scienziato. Il suo ruolo cruciale nel trasformare il nostro mondo da un mondo basato sull’agricoltura a uno basato su ingegneria e tecnologia è riconosciuto nell’unità di potenza: il watt.
Guida rapida alle invenzioni e scoperte di James Watt
James Watt:
• ha migliorato radicalmente il motore a vapore, avviando la rivoluzione industriale.
• ha continuato a produrre un flusso di nuove idee e invenzioni, che alla fine hanno portato a un motore che richiedeva 80% di carburante in meno rispetto ai motori precedenti.
• ha inventato motori a vapore ad alta pressione capaci di rendimenti ancora più elevati, ma la tecnologia dell’epoca non era in grado di farli funzionare in sicurezza.
• introdotti la parola potenza per descrivere la potenza di un motore. Ora generalmente utilizziamo i watt per misurare la potenza, sebbene la potenza del motore sia ancora spesso valutata in cavalli.
• è stata la prima persona a proporre che l’acqua è composta da idrogeno combinato con ossigeno.
• ha scoperto in modo indipendente il concetto scientifico di calore latente.
• ha inventato la prima fotocopiatrice al mondo, simile in funzione a una fotocopiatrice, per fare copie di corrispondenza, pagine di libri e immagini.
Early Years
James Watt nacque nel 1736 a Greenock, in Scozia, nel Regno Unito. Veniva da una famiglia di successo. Suo nonno, Thomas, insegnava matematica; suo padre, James, era un falegname che costruiva navi.
Sua madre, Agnes Muirhead, era ben istruita. Lei gli ha insegnato a leggere, mentre suo padre gli ha insegnato aritmetica e scrittura.
James eccelleva in matematica, scienze e ingegneria al liceo, ma le sue abilità linguistiche erano meno impressionanti. La sua salute era spesso scarsa e gran parte del suo apprendimento avveniva a casa, dove si rilassava guardando i pescherecci che tornavano in porto e i grandi velieri che arrivavano con il tabacco dalle Americhe. Un giorno, grazie alla sua mente inventiva, navi come queste sarebbero state alimentate da motori piuttosto che da vele.
A diciotto anni, in seguito alla morte di sua madre, e l’affondamento di una nave che impose un pesante fardello finanziario al suo famiglia, James ha rinunciato ai suoi piani per andare all’università. Invece, si è formato a Londra come costruttore di strumenti scientifici, specializzandosi in strumenti matematici e nautici. Entro due mesi, le sue capacità erano superiori rispetto ad altri che erano stati in formazione per due anni. Le sue eccezionali abilità manuali erano state precedentemente commentate dai lavoratori del cantiere navale di suo padre a Greenock.
Dopo un anno a Londra, trovò lavoro presso l’Università di Glasgow per riparare strumenti per il dipartimento di astronomia.
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Il lavoro strumentale di Watt era così buono che i professori dell’università volevano che continuasse a lavorare lì in modo permanente, così lo hanno invitato a organizzare un seminario nell’università. Ben presto si resero conto che il giovane del laboratorio era straordinariamente intelligente. Cominciarono a chiamarlo per discutere del loro lavoro. Gli studenti di matematica e fisica hanno scoperto che Watt aveva imparato di più sulle loro materie di quanto non ne avessero loro.
Ha anche superato le sue precedenti scarse abilità linguistiche, insegnando a se stesso tedesco e italiano per leggere più letteratura scientifica.
James Watt nel suo laboratorio
Watt è diventato amico di Adam Smith, che ha fondato la disciplina accademica di Economia e ha scritto The Wealth of Nations. Fece anche amicizia con il chimico Joseph Black, che scoprì il magnesio e, indipendentemente da Watt, inventò il concetto di calore latente.
Nel 1759, quattro anni dopo il suo arrivo a Glasgow, il 23enne James Watt si interessò ai motori a vapore.
Questo è accaduto quando un altro dei suoi nuovi amici all’università, il professor John Robinson, ha discusso con lui della possibilità di un’auto a vapore. Sebbene le loro idee per un’auto fossero poco pratiche, un seme è stato seminato nella fertile mente di Watt.
Neanche il professor Robinson si è fermato. Fu la prima persona a pubblicare una legge dell’inverso del quadrato per le forze elettriche e inventò la sirena.
The Coming of Steam
Nel 1763, all’età di 27 anni, Watt entrò in contatto con un motore a vapore funzionante, il motore Newcomen. Il professor John Anderson, che ha dimostrato il motore nelle sue lezioni di fisica, aveva bisogno di ripararlo. Watt ha fatto la riparazione, ma è rimasto stupito da quanto poco lavoro fosse in grado di fare il motore.
A quel tempo, i motori Newcomen erano stati utilizzati in Gran Bretagna per 50 anni e nessuno aveva trovato un modo per migliorarli.Hanno lavorato sul principio che un pistone in un cilindro fosse azionato in una direzione da un getto di vapore che riscaldava l’aria nel cilindro, espandendola; al posto del vapore verrebbe iniettata acqua fredda per raffreddare l’aria nel cilindro, creando un vuoto parziale che tira indietro il pistone nella direzione opposta, pronto per la ripresa del ciclo con l’iniezione di vapore caldo.
Watt ha deciso che poteva realizzare un motore migliore. Non pensava ad altro e nel suo laboratorio sperimentava con acqua e vapore in recipienti di metallo.
Dopo due anni di sperimentazione e riflessione, Watt ha avuto il suo momento Eureka.
Con la sua comprensione scientifica del comportamento dell’acqua e del principio del calore latente, si rese conto che il problema con il motore a vapore Newcomen era il seguente: il calore veniva utilizzato dal motore per generare vapore, ma quando il il vapore aveva fatto il suo lavoro il cilindro era raffreddato con acqua. Il riscaldamento e il raffreddamento dello stesso cilindro per ogni corsa del pistone era molto costoso in termini di energia necessaria per farlo.
Nelle stesse parole di Watt, leggermente modernizzato:
Mi è venuta in mente l’idea che, poiché il vapore era un gas, sarebbe precipitato un vuoto, e se collegassi il cilindro del motore a una nave a bassa pressione, il vapore si precipiterebbe dentro. Il vapore si condenserebbe lì e non raffredderebbe il cilindro del motore. Poi ho visto che dovevo eliminare il vapore condensato dal cilindro.
Il motore a vapore di James Watt
Watt ha ridisegnato il motore. La sua idea era che la pressione dell’aria avrebbe spinto il pistone in un vuoto parziale generato quando il vapore si condensa in acqua liquida. Il vapore si trasformò in acqua nel condensatore di Watt, che era circondato da acqua fredda.
Il processo è stato coadiuvato da una pompa del vuoto collegata al condensatore che ha prelevato l’acqua calda prodotta dal vapore condensante e la ha convogliata, ancora calda, alla caldaia pronta per essere nuovamente trasformata in vapore.
Pur mantenendo freddo il condensatore, Watt si rese conto anche dell’importanza di mantenere caldo il pistone / cilindro di lavoro: li circondò con una camicia di vapore caldo.
Entro la fine del 1765, un Watt di 29 anni aveva costruito il suo primo motore a vapore su piccola scala, dotato di una camera di condensazione separata e una camicia di vapore. L’inizio della rivoluzione industriale si stava avvicinando, ma non era ancora iniziato.
Nel 1769, all’età di 33 anni, Watt brevettò il suo nuovo motore.
Un motore Boulton & Watt a Birmingham, in Inghilterra, costruito durante la vita di Watt nel 1817. Immagine di Chris Allen.
Dai motori su piccola scala alla superpotenza industriale
Watt possedeva uno dei brevetti più importanti della storia umana. Lo ha venduto a John Roebuck, la cui fabbrica è fallita.
Matthew Boulton di Birmingham ha acquistato i diritti di brevetto per il motore a vapore di Watt.
Nel 1775, Watt festeggiò il suo 39 ° compleanno e iniziò una partnership di 25 anni di grande successo con Boulton. La partnership è stata una perfetta combinazione tra l’ingegnosità scientifica e ingegneristica di Watt e le capacità produttive e commerciali di Boulton.
Undici anni dopo che Watt costruì il suo primo motore a vapore su piccola scala, i suoi motori iniziarono ad essere installati per pompare l’acqua dalle miniere. La quota annuale pagata dai proprietari della miniera per le macchine era un terzo del valore del risparmio di carburante ottenuto dalle macchine.
La notizia dei nuovi motori super efficienti si diffuse rapidamente e con l’arrivo del vapore di Watt motori, iniziò la rivoluzione industriale.
Il successo di Watt e Boulton ha avuto qualche intoppo lungo la strada. Nel 1791, dovettero armare i loro lavoratori contro una rivolta di quattro giorni in cui scienziati e intellettuali erano un obiettivo specifico.
Con il passare degli anni, Boulton & Watt i motori trovarono la loro strada in sempre più applicazioni e il Regno Unito fu colpito dalla rivoluzione industriale. Boulton e Watt iniziarono a esportare la loro nuova tecnologia in tutto il mondo.
Le nuove industrie iniziarono a rilasciare nell’atmosfera quantità maggiori di anidride carbonica rispetto alle precedenti azioni umane. Questa tendenza continua ancora oggi.
James Watt in età avanzata
La fine, ma non prima di un altro nuovo progetto cruciale del motore!
Nel 1800, all’età di 64 anni e molto ricco, Watt andò in pensione. Il suo brevetto era scaduto e lui e Matthew Boulton passarono la loro collaborazione ai figli, James Watt Junior e Matthew Robinson Boulton, che la continuarono con successo.
“James Watt si distinse ugualmente come filosofo e chimico naturale; le sue invenzioni dimostrano la sua profonda conoscenza di quelle scienze e quella caratteristica peculiare del genio: il unione di loro per l’applicazione pratica.”
Watt continuò con il lavoro di ricerca quando era in pensione. Ha brevettato la sua fotocopiatrice, il motore a doppia azione, il motore rotativo e l’indicatore della pressione del vapore.
Il motore rotativo era cruciale, perché consentiva ai motori di azionare le ruote anziché il più semplice movimento di pompaggio su e giù delle macchine precedenti.
James Watt morì nel 1819, all’età di 83 anni. il potere mentale non era diminuito. La sua mente era affilatissima fino alla fine.