James Watt był ojcem rewolucji przemysłowej; wynalazca, inżynier i naukowiec. Jego kluczową rolę w przekształcaniu naszego świata z opartego na rolnictwie w świat oparty na inżynierii i technologii można dostrzec w jednostce mocy: wacie.
Krótki przewodnik po wynalazkach i odkryciach Jamesa Watta
James Watt:
• radykalnie ulepszył silnik parowy, rozpoczynając rewolucję przemysłową.
• kontynuował tworzenie strumienia nowych pomysłów i wynalazków, co ostatecznie zaowocowało silnikiem wymagającym 80% mniej paliwa niż we wcześniejszych silnikach.
• wynalazł wysokociśnieniowe silniki parowe o jeszcze większej wydajności, ale technologia tamtych czasów nie była w stanie ich bezpiecznie obsługiwać.
• wprowadzono słowo „konie mechaniczne” opisujące moc silnika. Obecnie generalnie używamy watów do pomiaru mocy, chociaż moc silnika nadal często podaje się w koniach mechanicznych.
• był pierwszą osobą, która zaproponowała, że woda składa się z wodoru połączonego z tlenem.
• niezależnie odkrył naukową koncepcję ciepła utajonego.
• wynalazł pierwszą na świecie maszynę kopiującą, podobną do kserokopiarki, do wykonywania kopii korespondencji, stron książek i zdjęć.
Wczesne lata
James Watt urodził się w 1736 roku w Greenock w Szkocji w Wielkiej Brytanii. Pochodził z dobrze prosperującej rodziny. Jego dziadek Thomas uczył matematyki; jego ojciec, James, był stolarzem, który budował statki.
Jego matka, Agnes Muirhead, była dobrze wykształcona. Nauczyła go czytać, a jego ojciec uczył arytmetyki i pisania.
James w szkole średniej wyróżniał się matematyką, naukami ścisłymi i inżynierią, ale jego umiejętności językowe były mniej imponujące. Jego zdrowie było często słabe, a większość jego nauki odbywała się w domu, gdzie relaksował się, obserwując statki rybackie wracające do portu i duże żaglowce przypływające z tytoniem z obu Ameryk. Pewnego dnia, dzięki jego pomysłowemu umysłowi, statki takie jak te będą napędzane silnikami, a nie żaglami.
W wieku osiemnastu lat, po śmierci matki i tonącym statku, który stanowił duże obciążenie finansowe dla jego rodzinę, James zrezygnował z planów pójścia na uniwersytet. Zamiast tego kształcił się w Londynie jako producent instrumentów naukowych, specjalizując się w instrumentach matematycznych i żeglarskich. W ciągu dwóch miesięcy jego umiejętności były wyższe niż u innych, którzy trenowali przez dwa lata. Jego wyjątkowe umiejętności rąk zostały wcześniej skomentowane przez pracowników w stoczni jego ojca w Greenock.
Po roku w Londynie znalazł pracę na Uniwersytecie Glasgow przy naprawie instrumentów na wydziale astronomii.
Uniwersytet w Glasgow
Nawiązywanie przyjaźni, budowanie wiedzy i rozwijanie nowych umiejętności w Glasgow Uniwersytet
Watt pracował na instrumentach tak dobrze, że profesorowie uniwersytetu chcieli, aby pracował tam na stałe, więc zaprosili go do zorganizowania warsztatu na uniwersytecie. Szybko zdali sobie sprawę, że młody człowiek w warsztacie był niezwykle inteligentny. Zaczęli wzywać go, aby omówić swoją pracę. Studenci matematyki i fizyki stwierdzili, że Watt nauczył się więcej o swoich przedmiotach niż oni.
Przezwyciężył też swoje wcześniejsze słabe umiejętności językowe, ucząc się niemieckiego i włoskiego, aby czytać więcej literatury naukowej.
James Watt w swoim warsztacie
Watt zaprzyjaźnił się z Adamem Smithem, który założył akademicką dyscyplinę ekonomii i napisał The Wealth of Nations. Zaprzyjaźnił się także z chemikiem Josephem Blackiem, który odkrył magnez i niezależnie od Watta wynalazł koncepcję utajonego ciepła.
W 1759 roku, cztery lata po przybyciu do Glasgow, 23-letni James Watt zainteresował się silnikami parowymi.
Stało się tak, gdy inny z jego nowych przyjaciół na uniwersytecie, profesor John Robinson, dyskutował z nim o możliwości posiadania samochodu parowego. Chociaż ich pomysły na samochód były niepraktyczne, ziarno zostało zasiane w płodnym umyśle Watta.
Profesor Robinson też nie stał w miejscu. Był pierwszą osobą, która opublikowała prawo odwrotnych kwadratów dla sił elektrycznych i wynalazł syrenę.
Nadejście pary
W 1763 roku, w wieku 27 lat, zetknął się Watt z działającą maszyną parową, silnikiem Newcomen. Profesor John Anderson, który zademonstrował silnik na swoich zajęciach z fizyki, wymagał jego naprawy. Watt wykonał naprawę, ale był zdumiony, jak mało pracy był w stanie wykonać silnik.
W tamtym czasie silniki Newcomen były używane w Wielkiej Brytanii od 50 lat i nikt nie znalazł sposobu na ich ulepszenie.Pracowali na zasadzie, że tłok w cylindrze był napędzany w jednym kierunku przez strumień pary, który podgrzewał powietrze w cylindrze, rozszerzając go; Zamiast pary byłaby wtryskiwana zimna woda, aby schłodzić powietrze w cylindrze, tworząc częściową próżnię, która pociąga tłok z powrotem w przeciwnym kierunku, gotowa do ponownego rozpoczęcia cyklu poprzez wtrysk gorącej pary.
Watt zdecydował, że może zrobić lepszy silnik. Niewiele więcej myślał i eksperymentował w swoim warsztacie z wodą i parą w metalowych naczyniach.
Po dwóch latach eksperymentów i przemyśleń Watt miał swój moment Eureki.
Dzięki naukowej wiedzy na temat zachowania wody i zasady ciepła utajonego zdał sobie sprawę, że problem z maszyną parową Newcomen był następujący: ciepło było wykorzystywane przez silnik do wytwarzania pary, ale kiedy para wykonała swoją pracę, cylinder został schłodzony wodą. Ogrzewanie i chłodzenie tego samego cylindra dla każdego skoku tłoka było bardzo kosztowne ze względu na potrzebną do tego energię.
Własnymi słowami Watta, nieco zmodernizowany:
Przyszło mi do głowy, że ponieważ para była gazem, w który wpadałaby próżnia, a gdybym podłączył cylinder silnika do naczynia przy niskim ciśnieniu, para wpadłaby do niego. Para by się tam skropliła i nie chłodziłaby cylindra silnika. Wtedy zobaczyłem, że muszę pozbyć się skroplonej pary z cylindra.
Silnik Steam Jamesa Watta
Watt przeprojektował silnik. Jego pomysłem było to, że ciśnienie powietrza wepchnie tłok do częściowej próżni wytwarzanej, gdy para skrapla się w ciekłą wodę. Para zamieniła się w wodę w kondensatorze Watta, który był otoczony zimną wodą.
W procesie pomagała pompa próżniowa podłączona do skraplacza, która pobierała gorącą wodę wytworzoną przez skraplającą się parę i odprowadzała ją z powrotem, wciąż gorącą, do kotła gotowego do ponownego przekształcenia w parę.
Utrzymując chłodnicę skraplacza, Watt zdał sobie również sprawę, jak ważne jest utrzymywanie gorącego tłoka / cylindra roboczego: otoczył je gorącym płaszczem parowym.
Pod koniec 1765 roku 29-letni Watt zbudował swój pierwszy mały silnik parowy, wyposażony w oddzielną komorę skraplającą i płaszcz parowy. Początek rewolucji przemysłowej był coraz bliżej, ale jeszcze się nie zaczął.
W 1769 roku, w wieku 33 lat, Watt opatentował swój nowy silnik.
Silnik Boulton & Watt w Birmingham w Anglii, zbudowany za życia Watta w 1817 roku. Zdjęcie: Chris Allen.
Od małych silników do supermocarstwa przemysłowego
Watt był właścicielem jednego z najważniejszych patentów w historii ludzkości. Sprzedał go Johnowi Roebuckowi, którego fabryka zbankrutowała.
Matthew Boulton z Birmingham kupił prawa patentowe do silnika parowego Watta.
W 1775 roku Watt obchodził 39. urodziny i rozpoczął bardzo udaną 25-letnią współpracę z Boultonem. Partnerstwo było idealnym połączeniem pomysłowości naukowej i inżynieryjnej Watt oraz umiejętności fabrycznych i handlowych Boultona.
Jedenaście lat po tym, jak Watt zbudował swój pierwszy silnik parowy na małą skalę, jego silniki zaczęto instalować w celu wypompowywania wody z kopalni. Roczna opłata, jaką właściciele kopalni płacili za maszyny, stanowiła jedną trzecią wartości oszczędności paliwa uzyskanych przez maszyny.
Wiadomości o nowych super wydajnych silnikach szybko się rozprzestrzeniły, a wraz z pojawieniem się pary Watta rozpoczęła się rewolucja przemysłowa.
Sukces Watt i Boulton miał po drodze kilka problemów. W 1791 roku musieli uzbroić swoich pracowników w czterodniowe zamieszki, w których naukowcy i intelektualiści byli konkretnym celem.
W miarę upływu lat Boulton & Watt silniki znalazły swoje zastosowanie w coraz większej liczbie zastosowań, a Wielką Brytanię ogarnęła rewolucja przemysłowa. Boulton i Watt zaczęli eksportować swoją nową technologię na cały świat.
Nowe branże zaczęły uwalniać do atmosfery większe ilości dwutlenku węgla niż poprzednie ludzkie działania. Ten trend trwa do dziś.
James Watt w późniejszym życiu
Koniec, ale nie przed kolejnym kluczowym projektem nowego silnika!
W 1800 roku, 64-letni, bardzo zamożny Watt przeszedł na emeryturę. Jego patent wygasł, a on i Matthew Boulton przekazali partnerstwo swoim synom, Jamesowi Wattowi Juniorowi i Matthew Robinsonowi Boultonowi, którzy z powodzeniem go kontynuowali.
„James Watt był równie wybitnym filozofem przyrody, jak i chemikiem; jego wynalazki dowodzą jego dogłębnej znajomości tych nauk i tej szczególnej cechy geniuszu – połączenie ich do praktycznego zastosowania.”
Watt kontynuował pracę badawczą na emeryturze. Opatentował swoją kopiarkę, silnik podwójnego działania, silnik obrotowy i wskaźnik ciśnienia pary.
Silnik obrotowy był kluczowy, ponieważ umożliwiał silnikom napędzanie kół, a nie prostszy ruch pompowania góra-dół, jak we wcześniejszych maszynach.
James Watt zmarł w 1819 roku w wieku 83 lat. siła umysłu nie spadła. Jego umysł był ostry jak brzytwa do końca.