James Watt var far till den industriella revolutionen; en uppfinnare, ingenjör och forskare. Hans avgörande roll för att omvandla vår värld från en baserad på jordbruk till en baserad på teknik och teknik är erkänd i kraftenheten: watt.
Snabbguide till James Watts uppfinningar och upptäckter
James Watt:
• förbättrade ångmotorn radikalt och startade den industriella revolutionen.
• fortsatte att producera en ström av nya idéer och uppfinningar, vilket så småningom resulterade i en motor som krävde 80% mindre bränsle än tidigare motorer.
• uppfann högtrycksångmaskiner med ännu högre verkningsgrad, men tidens teknik kunde inte köra dem säkert.
• infördes ordet hästkrafter för att beskriva motorns effekt. Vi använder nu vanligtvis watt för att mäta effekt, även om motoreffekt fortfarande ofta klassas i hästkrafter.
• var den första personen som föreslog att vatten är tillverkat av väte i kombination med syre.
• upptäckte oberoende det vetenskapliga begreppet latent värme.
• uppfann världens första kopieringsmaskin, som liknar en kopieringsmaskin, för att göra kopior av korrespondens, sidor med böcker och bilder.
Tidiga år
James Watt föddes 1736 i Greenock, Skottland, Storbritannien. Han kom från en framgångsrik familj. Hans farfar, Thomas, undervisade i matematik; hans far, James, var en snickare som byggde fartyg.
Hans mor, Agnes Muirhead, var välutbildad. Hon lärde honom att läsa, medan hans far lärde honom att skriva och skriva.
James utmärkte sig i matematik, naturvetenskap och teknik på gymnasiet, men hans språkkunskaper var mindre imponerande. Hans hälsa var ofta dålig och mycket av hans lärande ägde rum hemma, där han slappnade av genom att se fiskebåtar komma tillbaka till hamnen och stora segelfartyg som anlände med tobak från Amerika. En dag, tack vare sitt uppfinningsrika sinne, skulle fartyg som dessa drivas av motorer snarare än segel.
Vid arton, efter hans mors död, och ett fartyg som sjönk som satte en tung ekonomisk börda på hans familj gav James upp sina planer på att gå på universitetet. Istället utbildade han sig i London som tillverkare av vetenskapliga instrument och specialiserade sig på matematiska och nautiska instrument. Inom två månader var hans färdigheter högre än andra som hade varit i träning i två år. Hans exceptionella handfärdigheter hade tidigare kommenterats av arbetare på sin fars varv i Greenock.
Efter ett år i London hittade han arbete vid Glasgow University för att reparera instrument för astronomiavdelningen.
Glasgow University
Få vänner, bygga kunskap och utveckla nya färdigheter i Glasgow Universitet
Watts instrumentarbete var så bra att universitetets professorer ville hålla honom arbetande där permanent, så de bjöd in honom att sätta upp en workshop på universitetet. De insåg snart att den unge mannen i verkstaden var anmärkningsvärt intelligent. De började uppmana honom att diskutera deras arbete. Studenter i matematik och fysik fann att Watt hade lärt sig mer om sina ämnen än vad de hade gjort.
Han övervann också sina tidigare dåliga språkkunskaper och lärde sig tyska och italienska för att läsa mer vetenskaplig litteratur.
James Watt i sin verkstad
Watt blev vän med Adam Smith, som grundade den akademiska disciplinen ekonomi och skrev The Wealth of Nations. Han blev också vän med kemisten Joseph Black, som upptäckte magnesium och, oberoende av Watt, uppfann konceptet latent värme.
1759, fyra år efter hans ankomst till Glasgow, den 23-årige James Watt blev intresserad av ångmaskiner.
Detta hände när en annan av hans nya vänner vid universitetet, professor John Robinson, diskuterade med honom möjligheten till en ångdriven bil. Även om deras idéer till en bil var opraktiska såddes ett utsäde i Watts bördiga sinne.
Professor Robinson stod inte heller heller. Han var den första personen som publicerade en invers-kvadratisk lag för elektriska krafter, och han uppfann siren.
Ångan kommer
1763, 27 år gammal, kom Watt i kontakt med en fungerande ångmotor, Newcomen-motorn. Professor John Anderson, som demonstrerade motorn i sina fysikklasser, behövde repareras. Watt gjorde reparationen, men blev förvånad över hur lite arbete motorn kunde.
Vid den tiden hade Newcomen-motorer använts i Storbritannien i 50 år, och ingen hade hittat ett sätt att förbättra dem.De arbetade på principen att en kolv i en cylinder kördes i en riktning av en ångstråle som värmde luft i cylindern och expanderade den; kallt vatten skulle injiceras i stället för ångan för att kyla luften i cylindern och skapa ett partiellt vakuum som drog kolven tillbaka i den andra riktningen, redo för att cykeln började igen med injektionen av het ånga.
Watt bestämde sig för att han kunde göra en bättre motor. Han tänkte på lite annat och experimenterade i sin verkstad med vatten och ånga i metallkärl.
Efter två års experimenterande och tänkande hade Watt sitt Eureka-ögonblick.
Med sin vetenskapliga förståelse för vattnets beteende och principen om latent värme insåg han att problemet med Newcomen-ångmotorn var följande: värme användes av motorn för att generera ånga, men när ånga hade gjort sitt arbete cylindern kyldes ned med vatten. Att värma och kyla samma cylinder för varje kolvslag var mycket kostsamt när det gäller den energi som behövs för att göra det.
I Watts egna ord, något moderniserat:
Tanken kom i mitt sinne att som ånga var en gas skulle den rusa in i ett vakuum, och om jag kopplade motorns cylinder till ett kärl vid lågt tryck skulle ångan rusa in i den. Ångan skulle kondensera där och det skulle inte svalna motorcylindern. Jag såg sedan att jag måste bli av med den kondenserade ångan från cylindern.
James Watts ångmotor
Watt designade om motorn. Hans idé var att lufttrycket skulle skjuta kolven in i ett partiellt vakuum som genererades när ånga kondenseras till flytande vatten. Ångan förvandlades till vatten i Watts kondensor, som var omgiven av kallt vatten.
Processen hjälpte till med en vakuumpump ansluten till kondensorn som tog det heta vattnet från kondenserande ånga och förde tillbaka det, fortfarande varmt, till pannan som var redo att omvandlas till ånga.
Medan Watt höll kondensorn kall insåg han också vikten av att hålla kolven / arbetscylindern varm: han omgav dessa med en het ångmantel.
I slutet av 1765 hade en 29-årig Watt byggt sin första småskaliga ångmaskin med en separat kondenseringskammare och en ångmantel. Starten på den industriella revolutionen närmade sig men hade ännu inte börjat.
1769, 33 år gammal, patenterade Watt sin nya motor.
En Boulton & Watt-motor i Birmingham, England, byggd under Watts livstid 1817. Bild av Chris Allen.
Från småskaliga motorer till industriell supermakt
Watt ägde ett av de viktigaste patenten i mänsklighetens historia. Han sålde den till John Roebuck, vars fabrik gick i konkurs.
Matthew Boulton från Birmingham köpte patenträttigheterna till Watts ångmotor.
År 1775 firade Watt sin 39-årsdag och inledde ett mycket framgångsrikt 25-årigt partnerskap med Boulton. Partnerskapet var en perfekt kombination av Watts vetenskapliga och tekniska uppfinningsrikedom och Boultons fabriks- och kommersiella färdigheter.
Elva år efter att Watt byggt sin första småskaliga ångmotor började hans motorer installeras för att pumpa vatten ur gruvor. Årsavgiften som gruvägarna betalade för maskinerna var en tredjedel av värdet av de bränslebesparingar som maskinerna gjorde.
Nyheterna om de nya supereffektiva motorerna sprids snabbt och med att Watt ångade. motorer började den industriella revolutionen.
Watt och Boultons framgång fick några hicka på vägen. 1791 var de tvungna att beväpna sina arbetare mot en fyra dagars upplopp där forskare och intellektuella var ett specifikt mål.
När åren gick, Boulton & Watt motorer hittade sig i allt fler applikationer, och Storbritannien greps av den industriella revolutionen. Boulton och Watt började exportera sin nya teknik över hela världen.
De nya industrier började släppa ut större mängder koldioxid i atmosfären än tidigare mänskliga handlingar hade. Denna trend fortsätter idag.
James Watt i senare liv
Slutet, men inte innan en ny avgörande ny motordesign!
År 1800, 64 år gammal och mycket rik, gick Watt i pension. Hans patent hade upphört att gälla, och han och Matthew Boulton överlämnade sitt partnerskap till sina söner, James Watt Junior, och Matthew Robinson Boulton, som fortsatte det framgångsrikt.
”James Watt utmärkte sig lika mycket som en naturfilosof och kemist; hans uppfinningar visar hans djupa kunskaper om dessa vetenskaper och det speciella kännetecknet för geni – förening av dem för praktisk tillämpning.”
Watt fortsatte med forskningsarbetet under sin pension. Han patenterade sin kopieringsmaskin, den dubbelverkande motorn, den roterande motorn och ångtrycksindikatorn.
Den roterande motorn var avgörande, eftersom den gjorde det möjligt för motorer att köra hjul snarare än den enklare uppåtgående pumprörelsen hos tidigare maskiner.
James Watt dog 1819, 83 år gammal. Hans mental kraft hade inte minskat. Hans sinne var knivskarpt till slutet.