James Watt was de vader van de industriële revolutie; een uitvinder, ingenieur en wetenschapper. Zijn cruciale rol bij het transformeren van onze wereld van een op landbouw gebaseerde wereld naar een op techniek en technologie wordt erkend in de eenheid van vermogen: de watt.
Beknopte handleiding voor James Watt’s uitvindingen en ontdekkingen
James Watt:
• verbeterde de stoommachine radicaal, waardoor de industriële revolutie begon.
• bleef een stroom van nieuwe ideeën en uitvindingen produceren, wat uiteindelijk resulteerde in een motor die 80% minder brandstof dan eerdere motoren.
• vond hogedrukstoommachines uit die nog hogere efficiëntie konden behalen, maar de technologie van die tijd was niet in staat om ze veilig te laten werken.
• geïntroduceerd het woord pk om het vermogen van een motor te beschrijven. We gebruiken nu over het algemeen watt om vermogen te meten, hoewel het motorvermogen nog steeds vaak in pk’s wordt uitgedrukt.
• was de eerste die voorstelde dat water is gemaakt van waterstof in combinatie met zuurstof.
• ontdekte onafhankelijk het wetenschappelijke concept van latente warmte.
• vond ’s werelds eerste kopieerapparaat uit, vergelijkbaar in functie met een fotokopieerapparaat, om kopieën te maken van correspondentie, pagina’s van boeken en afbeeldingen.
Vroege jaren
James Watt werd geboren in 1736 in Greenock, Schotland, VK. Hij kwam uit een succesvol gezin. Zijn grootvader, Thomas, doceerde wiskunde; zijn vader, James, was een timmerman die schepen bouwde.
Zijn moeder, Agnes Muirhead, was goed opgeleid. Ze leerde hem lezen, terwijl zijn vader hem leerde rekenen en schrijven.
James blonk uit in wiskunde, wetenschappen en techniek op de middelbare school, maar zijn taalvaardigheid was minder indrukwekkend. Zijn gezondheid was vaak slecht, en veel van zijn studie vond thuis plaats, waar hij zich ontspande door te kijken naar vissersboten die de haven binnenkwamen en grote zeilschepen die met tabak uit Amerika aankwamen. Op een dag zouden schepen zoals deze, dankzij zijn inventieve geest, worden aangedreven door motoren in plaats van zeilen.
Op achttienjarige leeftijd, na de dood van zijn moeder, en een schip dat zinkte dat een zware financiële last voor zijn familie, gaf James zijn plannen op om naar de universiteit te gaan. In plaats daarvan trainde hij in Londen als maker van wetenschappelijke instrumenten, gespecialiseerd in wiskundige en nautische instrumenten. Binnen twee maanden waren zijn vaardigheden hoger dan die van anderen die al twee jaar in opleiding waren. Zijn uitzonderlijke handvaardigheden waren eerder besproken door arbeiders op de scheepswerf van zijn vader in Greenock.
Na een jaar in Londen vond hij werk aan de Glasgow University om instrumenten voor de afdeling astronomie te repareren.
Glasgow University
Vrienden maken, kennis opbouwen en nieuwe vaardigheden ontwikkelen in Glasgow Universiteit
Watts instrumentenwerk was zo goed dat de professoren van de universiteit hem daar permanent wilden laten werken, dus nodigden ze hem uit om een werkplaats op de universiteit op te zetten. Ze beseften al snel dat de jongeman in de werkplaats opmerkelijk intelligent was. Ze begonnen hem op te roepen om hun werk te bespreken. Studenten wiskunde en natuurkunde ontdekten dat Watt meer over hun vakken had geleerd dan zij.
Hij overwon ook zijn eerdere gebrekkige taalvaardigheid door zichzelf Duits en Italiaans te leren om meer wetenschappelijke literatuur te lezen.
James Watt in zijn werkplaats
Watt raakte bevriend met Adam Smith, die de academische discipline Economie oprichtte en The Wealth of Nations schreef. Hij raakte ook bevriend met de chemicus Joseph Black, die magnesium ontdekte en, onafhankelijk van Watt, het concept van latente warmte uitvond.
In 1759, vier jaar na zijn aankomst in Glasgow, de 23-jarige James Watt raakte geïnteresseerd in stoommachines.
Dit gebeurde toen een andere van zijn nieuwe vrienden aan de universiteit, professor John Robinson, met hem de mogelijkheid van een door stoom aangedreven auto besprak. Hoewel hun ideeën voor een auto onpraktisch waren, werd er een zaadje gezaaid in Watts vruchtbare geest.
Professor Robinson stond ook niet stil. Hij was de eerste persoon die een inverse-kwadratenwet voor elektrische krachten publiceerde, en hij vond de sirene uit.
The Coming of Steam
In 1763, op 27-jarige leeftijd, kwam Watt in contact met met een werkende stoommachine, de Newcomen-motor. Professor John Anderson, die de motor in zijn natuurkundelessen demonstreerde, moest hem laten repareren. Watt deed de reparatie, maar was verbaasd over hoe weinig werk de motor kon.
In die tijd werden Newcomen-motoren al 50 jaar in Groot-Brittannië gebruikt en niemand had een manier gevonden om ze te verbeteren.Ze werkten volgens het principe dat een zuiger in een cilinder in één richting werd aangedreven door een stoomstraal die lucht in de cilinder verwarmde en deze uitzet; koud water zou in plaats van stoom worden geïnjecteerd om de lucht in de cilinder af te koelen, waardoor een gedeeltelijk vacuüm ontstond dat de zuiger in de andere richting terugtrok, klaar om de cyclus opnieuw te beginnen met de injectie van hete stoom.
Watt besloot dat hij een betere motor kon maken. Hij dacht aan weinig anders en experimenteerde in zijn werkplaats met water en stoom in metalen vaten.
Na twee jaar experimenteren en nadenken had Watt zijn Eureka-moment.
Met zijn wetenschappelijke kennis van het gedrag van water en het principe van latente warmte, realiseerde hij zich dat het probleem met de Newcomen-stoommachine als volgt was: warmte werd door de motor gebruikt om stoom op te wekken, maar toen de stoom had zijn werk gedaan, de cilinder werd afgekoeld met water. Het verwarmen en koelen van dezelfde cilinder voor elke zuigerslag was erg kostbaar in termen van de energie die ervoor nodig was.
In Watts eigen woorden, enigszins gemoderniseerd:
Het idee kwam bij me op dat stoom een gas was dat het een vacuüm, en als ik de cilinder van de motor zou koppelen aan een vat met lage druk, zou de stoom erin stromen. De stoom zou daar condenseren en het zou de motorcilinder niet koelen. Ik zag toen dat ik de gecondenseerde stoom uit de cilinder moest verwijderen.
James Watt’s Steam Engine
Watt heeft de engine opnieuw ontworpen. Zijn idee was dat luchtdruk de zuiger in een gedeeltelijk vacuüm zou duwen dat wordt gegenereerd wanneer stoom condenseert in vloeibaar water. De stoom veranderde in water in de condensor van Watt, die was omgeven door koud water.
Het proces werd ondersteund door een vacuümpomp die was aangesloten op de condensor, die het hete water van de condenserende stoom nam en het, nog steeds heet, terugvoerde naar de ketel, klaar om weer in stoom te worden omgezet.
Terwijl hij de condensor koud hield, realiseerde Watt zich ook het belang van het warm houden van de zuiger / werkcilinder: hij omringde deze met een hete stoommantel.
Eind 1765 had een 29-jarige Watt zijn eerste kleinschalige stoommachine gebouwd, met een aparte condensatiekamer en een stoommantel. Het begin van de industriële revolutie kwam dichterbij, maar was nog niet begonnen.
In 1769, 33 jaar oud, patenteerde Watt zijn nieuwe motor.
Een Boulton & Watt-motor in Birmingham, Engeland, gebouwd tijdens Watts leven in 1817. Afbeelding door Chris Allen.
Van kleinschalige motoren tot industriële superkrachten
Watt bezat een van de belangrijkste patenten in de menselijke geschiedenis. Hij verkocht het aan John Roebuck, wiens fabriek failliet ging.
Matthew Boulton uit Birmingham kocht de octrooirechten op Watts stoommachine.
In 1775 vierde Watt zijn 39e verjaardag en begon een zeer succesvolle 25-jarige samenwerking met Boulton. De samenwerking was een perfecte combinatie van Watts wetenschappelijke en technische vindingrijkheid en Boulton’s fabrieks- en commerciële vaardigheden.
Elf jaar nadat Watt zijn eerste kleinschalige stoommachine had gebouwd, werden zijn motoren geïnstalleerd om water uit mijnen te pompen. De jaarlijkse vergoeding die de mijneigenaren voor de machines betaalden, was een derde van de waarde van de brandstofbesparingen die de machines maakten.
Het nieuws over de nieuwe superefficiënte motoren verspreidde zich snel en met de komst van Watts stoom motoren begon de industriële revolutie.
Het succes van Watt en Boulton kende gaandeweg een paar minpuntjes. In 1791 moesten ze hun arbeiders wapenen tegen een vierdaagse rel waarin wetenschappers en intellectuelen een specifiek doelwit waren.
Met het verstrijken van de jaren, Boulton & Watt motoren vonden hun weg naar steeds meer toepassingen, en het Verenigd Koninkrijk werd gegrepen door de industriële revolutie. Boulton en Watt begonnen hun nieuwe technologie over de hele wereld te exporteren.
De nieuwe industrieën begonnen grotere hoeveelheden kooldioxide in de atmosfeer af te geven dan eerdere menselijke acties. Deze trend zet zich vandaag voort.
James Watt op latere leeftijd
Het einde, maar niet voor een ander cruciaal nieuw motorontwerp!
In 1800, 64 jaar oud en zeer rijk, ging Watt met pensioen. Zijn patent was verlopen en hij en Matthew Boulton gaven hun partnerschap door aan hun zonen, James Watt Junior, en Matthew Robinson Boulton, die het met succes voortzetten.
“James Watt was even onderscheiden als natuurfilosoof en chemicus; zijn uitvindingen tonen zijn diepgaande kennis van die wetenschappen aan, en dat eigenaardige kenmerk van genialiteit – de vereniging van hen voor praktische toepassing.”
Watt ging tijdens zijn pensionering door met onderzoek. Hij patenteerde zijn kopieermachine, de dubbelwerkende motor, de rotatiemotor en de stoomdrukindicator.
De rotatiemotor was cruciaal, omdat motoren hierdoor wielen konden aandrijven in plaats van de eenvoudigere op-en-neer pompbeweging van eerdere machines.
James Watt stierf in 1819, 83 jaar oud. mentale kracht was niet afgenomen. Zijn geest was tot het einde vlijmscherp.