Životopis Jamesa Watta, vynálezcu moderných parných strojov

James Watt (19. januára 1736 - 25. augusta 1819) bol škótsky vynálezca, inžinier a chemik. Vyvinul uskutočniteľný parný motor ktoré používali samostatný kondenzátor; Vďaka tejto inovácii sa parný stroj stal užitočným nástrojom pre široké spektrum použití. V mnohých ohľadoch bol Wattov vynález - alebo skôr jeho zlepšenie oproti predchádzajúcemu vynálezu, parný stroj Newcomen - technologickým impulzom za Priemyselná revolúcia.

Rýchle fakty: James Watt

James Watt sa narodil 19. januára 1736 v gréckom Greenocku ako jediné prežívajúce dieťa štyroch Jamesa Watta (1699–1737) a Agnes Muirhead (1901–1754). Greenock bola rybárska dedina, ktorá sa počas Wattovho života stala rušným mestom s flotilou parných lodí. Dedko Jamesa Jr. Thomas Watt (1642 - 1734) bol známy matematik a miestny učiteľ. James Sr. bol prominentným občanom Greenocku a úspešným tesárom a lodným lustrom, ktorý pracoval na vybavovaní lodí a pracoval na ich nástrojoch, kompasoch a kvadrantoch. James Sr. bol v rôznych časoch tiež hlavným mestským úradníkom a pokladníkom.

James Watt bol inteligentný, ale kvôli zlému zdravotnému stavu nemohol pravidelne chodiť do školy. Namiesto toho získal zručnosti, ktoré by neskôr potreboval strojárstvo a náradie prostredníctvom práce so svojím otcom na tesárskych projektoch. Vo veku 6 rokov James Watt riešil geometrické problémy a vykonával svoje najskoršie skúmanie povahy pary, ktorá zahŕňala experimentovanie s čajovou kanvicou jeho matky. V chlapčenstve bol Watt vášnivým čitateľom a našiel niečo, čo ho zaujímalo v každej knihe, ktorá mu prišla do rúk.

Keď bol Watt konečne poslaný do dedinskej školy, jeho zlé zdravie zabránilo jeho rýchlemu napredovaniu; až keď mu bolo 13 alebo 14 rokov, začal prejavovať svoje schopnosti, najmä v matematike. Jeho voľný čas trávil kreslením ceruzkou, rezbou a prácou na nástrojovej lavici s drevom a kovom. Robil veľa dômyselných mechanických prác a niekoľko krásnych modelov a rád opravoval námorné nástroje.

Potom, čo jeho matka zomrela v roku 1754, bol 18-ročný Watt poslaný do Glasgowa, aby obchodoval so svojím strýkom Johnom Muirheadom. Jedným z príbuzných jeho matky bolo predsedníctvo oddelenia orientálnych jazykov a humanitných vied na Glasgow College a Watt sa tam stal členom literárnej spoločnosti. V Glasgowe sa stretol aj s ďalšími učencami, ktorí by preukázali vplyv a podporu svojej kariéry: Robert Dick, profesor prírodnej filozofie, Robert Simpson v matematike a William Cullen v medicíne a chémii.

Bol to Dick, kto navrhol, aby Watt odišiel do Londýna, aby sa pripravil ako výrobca matematických nástrojov. S úvodným listom odišiel Watt v roku 1755 do Londýna a začal pracovať s nástrojárom Johnom Morganom. Watt nebol oficiálne učňom, ale pracoval na mechanickom prístrojovom vybavení: Morgan si myslel, že je talentovaný, ale dokončeniu svojej práce trvalo príliš dlho. Práca s Morganom sa skončila v júni 1756 a Dick mu dal krátkodobú pozíciu na prácu na orloji, odrážajúc ďalekohľady a tranzitné nástroje. Na konci roka sa Watt vrátil do Greenocku, ale čoskoro sa vrátil do Glasgowa, kde začal podnikať v kvadrante. Bol vymenovaný za výrobcu matematických nástrojov na Glasgow College, podporovaný Dickovým náhradníkom John Anderson a Cullenovým náhradníkom a chemikom. Joseph Black (1728–1799). Black je najznámejší pre svoju prácu na latentných a špecifických teplotách a pre objav oxidu uhličitého a mal sa stať pevným podporovateľom Watta.

V roku 1759, John Robison, študent v Glasgowe, ukázal Wattovi model Parný motor pre nováčikov a navrhol, že by sa mohol použiť na pohon vozňov. Nováčik bol vynájdený a patentovaný v roku 1703 Thomasom Newcomenom (1664 - 1729) a Watt začal stavať miniatúrne modely využívajúce cínové valce a piesty pripevnené k hnacím kolesám pomocou systému ozubených kolies. Vo svojich vlastných experimentoch najskôr využíval lekárenské skúšky a duté palice pre parné nádrže a potrubia, neskôr Papinov digestor a spoločnú injekčnú striekačku. Táto posledná kombinácia vyrobila nekondenzačný motor, v ktorom používal paru pri tlaku 15 libier na štvorcový palec. Ventil pracoval ručne a James Watt videl, že na výrobu pracovného stroja je potrebný automatický prevod ventilov. Tento experiment však neviedol k žiadnym praktickým výsledkom a počas nasledujúcich niekoľkých rokov tento výskum opustil.

Watt zostal na vysokej škole až do šesťdesiatych rokov 20. storočia, keď nadviazal partnerstvo s obchodníkom menom John Craig, čiastočne financovaným spoločnosťou Black. Jedným z nich bolo vyrábanie alkálií zo soli - v 18. storočí sa alkálie mohli vyrábať iba z rastlín. Craig a Watt boli jedným z niekoľkých ľudí, ktorí hľadali spôsob, ako ho chemicky vytvoriť. Toto úsilie sa dosiahlo až v roku 1820. Watt a Craig tiež pracovali na keramických peciach a glazúrach na výrobu cínového skla.

V roku 1764 sa Watt oženil s Margaret Millarovou, známou ako Peggy, bratranec, ktorého poznal od detstva. Mali mať päť detí, z ktorých iba dve žili do dospelosti: Margaret, narodená v roku 1767, a James III, narodený v roku 1769, ktoré sa ako dospelý stali hlavnou oporou a obchodným partnerom jeho otca.

V zime 1763 - 1764 požiadal John Anderson v Glasgowe Watt o opravu modelu motora Newcomen. Dokázal to uviesť do chodu, ale bol zvedavý, prečo stroj spotrebuje toľko pary a kondenzovanej vody. Watts začal študovať históriu parného motora a uskutočňoval experimentálny výskum vlastností pary.

Model s parným motorom Newcomen mal kotol, ktorý bol vyrobený v mierke a nebol schopný dodať dostatok pary na pohon motora. Priemer bol asi 9 palcov; parný valec mal priemer dva palce a mal zdvih piestu šesť palcov. Watt vyrobil nový kotol, ktorý mohol merať množstvo odparenej vody a pary kondenzovanej pri každom zdvihu motora.

Watt čoskoro zistil, že motor vyžaduje veľmi malé množstvo pary na zahriatie veľmi veľkého množstva vody. Okamžite začal s presnosťou určovať relatívne hmotnosti pary a vody v parnom valci, keď došlo ku kondenzácii pri dolnom zdvihu motora. James Watt nezávisle dokázal existenciu „latentné teplo“, ktorý objavil jeho mentor a podporovateľ Joseph Black. Watt išiel s Blackom do svojho výskumu, ktorý zdieľal svoje znalosti s Wattom. Watt zistil, že na bod varu, jeho kondenzujúca para bola schopná zahriať šesťnásobok svojej hmotnosti vody použitej na výrobu kondenzácie.

Uvedomujúc si, že hmotnosť pary na váhe bola oveľa väčšia absorbent a zásobník tepla ako vody, Watt videl, že je dôležité venovať väčšiu pozornosť šetreniu, ako tomu bolo predtým nepokúsil. Najprv hospodáril v kotli a vyrobil kotly s drevenými „škrupinami“, aby zabránil stratám vedenie a žiarenie. Tiež použil väčšie množstvo dymovodov, ako musel Newcomen zabezpečiť úplnejšiu absorpciu tepla z plynov z pece. Svoje parné rúrky tiež zakryl nevodivými materiálmi a prijal všetky preventívne opatrenia, aby zabezpečil úplné využitie tepla spaľovacie.

Čoskoro zistil, že zdroje tepelných strát v motore Newcomen boli:

• Rozptyl tepla samotným valcom, ktorý bol z mosadze a bol dobrým vodičom aj dobrým chladičom.
• Strata tepla v dôsledku potreby ochladzovania valca pri každom zdvihu pri výrobe vákuum.
• Strata výkonu v dôsledku tlaku pary pod piestom, ktorý bol dôsledkom nedokonalej kondenzácie.

Prvý pokus o valec z nevodivého materiálu bol vyrobený z dreva namočeného v oleji a potom upečeného, ​​čím sa zvýšila hospodárnosť pary. Potom vykonal sériu veľmi presných experimentov týkajúcich sa teploty a tlaku pary meraním množstva pary použitej pri každom zdvihu motora. Dokázal potvrdiť svoj predchádzajúci záver, že tri štvrtiny tepla dodávaného do motora boli premrhané.

Po jeho vedeckom výskume pracoval James Watt na zdokonalení parného stroja s inteligentným pochopením jeho existujúcich chýb a znalosťou ich príčiny. Watt čoskoro videl, že aby sa znížili straty pri spracovaní pary v parnom valci, bolo by potrebné nájsť spôsob, ako neustále udržiavať fľašu tak horúcu ako para, ktorá vnikla ono.

Podľa Jamesa Watta: „Prišla mi myšlienka, že keďže para je elastické telo, vrhne sa do vákua, a ak komunikácia medzi valcom a vyčerpanou nádobou, do nej vbehla a mohla by tam kondenzovať bez chladenia valec. Potom som videl, že sa musím zbaviť kondenzovanej pary a vstrekovanej vody, ak použijem prúd, ako v Newcomenovom motore. Urobili mi dva spôsoby, ako to urobiť: Najprv by voda mohla odtekať zostupnou rúrkou, ak by sa výstupný prúd mohol dostať do hĺbky 35 alebo 36 stôp a všetok vzduch by sa mohol extrahovať malým čerpadlom. Druhým bolo, aby bolo čerpadlo dostatočne veľké na to, aby extrahovalo vodu aj vzduch. “

Pokračoval: „Pri analýze by sa vynález nezdal taký veľký, ako sa zdalo. V stave, v ktorom som našiel parný stroj, nebolo veľkou námahou pozorovať, že množstvo paliva potrebné na jeho fungovanie by navždy zabránilo jeho rozsiahlemu využitiu. Ďalším krokom v mojom napredovaní bolo rovnako ľahké - zistiť, čo bolo príčinou veľkej spotreby paliva. Aj to sa ľahko navrhlo, to znamená odpad paliva, ktorý bol potrebný na privedenie celého valca, piestu, a priľahlé časti od studenej vody po teplo pary, najmenej 15 až 20 krát za minútu. ““

James Watt vynašiel svoj najdôležitejší samostatný kondenzátor. Pokračoval v experimentálnom testovaní svojho nového vynálezu. Jeho malý model fungoval veľmi dobre a dokonalosť vákua bola taká, že stroj zdvihol 18-kilogramovú hmotnosť zavesenú na piestnej tyči. Potom skonštruoval väčší model a výsledok jeho testu potvrdil výsledky jeho prvých experimentov.

Trvalo roky, kým Watt zistil podrobnosti o novom parnom stroji. Na začiatku musel Watt nájsť spôsob, ako zabrániť naplneniu kondenzátora vodou. Vyskúšal niekoľko prístupov, vrátane vzduchového čerpadla, ktoré uvoľnilo kondenzátor vody a vzduchu, ktorý sa zhromaždil v kondenzátore, a znížil vákuum. Ďalej vymenil olej a loj za vodu použitú na mazanie piestu, udržiaval paru pevnú a bránil chladeniu valca. Ďalšou príčinou chladenia valca a následného plytvania energiou pri jeho prevádzke bolo vstup vzduchu, ktorý sledoval piest dole valcom pri každom zdvihu, jeho vnútorným chladením kontakt. Vynálezca tomu zabránil tak, že zakryl hornú časť valca a obklopil celý valec vonkajšou stranou plášť alebo „parný plášť“, ktorý umožnil prechodu pary z kotla okolo parného valca a pritlačil na hornú plochu piest.

Po vybudovaní väčšieho experimentálneho motora si Watt prenajal izbu v starej opustenej chalupe. Tam pracoval s mechanikom Folm Gardiner. Watt sa práve stretol s bohatým lekárom Johnom Roebuckom, ktorý spolu s ďalšími škótskymi kapitalistami nedávno založil oslavované železárne Carron. Roebuck začal finančne podporovať úsilie Watta a Watt často písal Roebuckovi opisujúci jeho pokrok.

V auguste 1765 vyskúšal malý motor a napísal Roebuckovi, že má „dobrý úspech“, hoci stroj bol veľmi nedokonalý, a informoval Roebucka, že začína vyrábať väčší model. V októbri 1765 dokončil veľký parný stroj. Motor, aj keď bol pripravený na skúšku, nebol ani zďaleka dokonalý. Pre taký surový stroj však vykonal dobrú prácu.

Bohužiaľ, do roku 1765 bol James Watt zredukovaný na chudobu a po tom, čo si požičal značné sumy od priateľov, sa konečne musel uchádzať o zamestnanie, aby sa postaral o svoju rodinu. Počas obdobia asi dvoch rokov sa podporoval ako stavebný inžinier, vykonával geodéziu a správu budovy niekoľko kanálov v Škótsku a skúmanie uhoľných polí v okolí mesta Glasgow pre sudcov Magistrátu mesta Kuba city. Nevzdal sa však úplne svojho vynálezu.

V roku 1767 Roebuck prevzal záväzky spoločnosti Watt vo výške 1 000 britských libier a súhlasil, že poskytne viac kapitálu výmenou za dve tretiny patentu spoločnosti Watt. Ďalší motor bol postavený s parným valcom o priemere 7 alebo 8 palcov, ktorý bol dokončený v roku 1768. Fungovalo to dostatočne dobre na to, aby boli partneri požiadaní o patent, a špecifikácie a výkresy boli dokončené a predložené v roku 1769.

Watt tiež skonštruoval a postavil niekoľko motorov Newcomen, sčasti pravdepodobne kvôli dôkladnejšiemu oboznámeniu sa s praktickými detailmi výroby motorov. Medzitým pripravoval plány a postavil mierne veľký motor svojho nového typu. Jeho parný valec mal priemer 18 palcov a zdvih piestu bol 5 stôp. Tento motor bol postavený v Kinneile a bol dokončený v septembri 1769. Nebolo to všetko uspokojivé z hľadiska jeho konštrukcie alebo prevádzky. Kondenzátor bol povrchový kondenzátor zložený z rúrok trochu podobných rúrkam použitým v jeho prvom malom modeli a nepreukázal sa uspokojivo tesný. Parný piest vážne unikal a opakované skúšky slúžili len na zvýraznenie jeho nedostatkov. Pomáhali mu s finančnou a morálnou podporou Joseph Black a John Roebuck, ale cítil sa o rizikách, s ktorými sa stretol so zapojením svojich priateľov do vážnych strát, sa stal veľmi vážnym skľúčený.

Watt napísal Blackovi: „Zo všetkých vecí v živote nie je nič hlúpejší ako vynájsť; a pravdepodobne väčšina vynálezcov viedla k rovnakému názoru na základe svojich vlastných skúseností. ““

V roku 1768 James Watt odcestoval do Londýna, aby získal patent, a na ceste k stretnutiu s Matthewom Boultonom. Boulton bol vlastníkom výrobnej spoločnosti v Birminghame známej ako Soho Manufactory, ktorá vyrábala drobný kovový tovar. Zdedil otcovo podnikanie a značne ho vybudoval. On a jeho podnikanie boli veľmi dobre známe v anglickom osvieteneckom hnutí v polovici 18. storočia.

Boulton bol dobrý učenec so znalosťou jazykov a prírodných vied - najmä matematiky - napriek tomu, že opustil školu ako chlapec, aby chodil do práce v otcovom obchode. V obchode čoskoro predstavil množstvo cenných vylepšení a vždy hľadal ďalšie nápady, ktoré by mohli byť zavedené do jeho podnikania.

Bol tiež členom slávneho Lunárna spoločnosť v Birminghame, skupina mužov, ktorí sa stretli, aby spoločne prediskutovali prírodnú filozofiu, inžinierstvo a priemyselný rozvoj: medzi ostatných členov patril objaviteľ kyslíka Joseph Priestley,Erasmus Darwin (dedko Charlesa Darwina) a experimentálneho hrnčiara Josiah Wedgewood. Watt sa pripojil k skupine potom, čo sa stal Boultonovým partnerom.

Boulton, okázalý a energický učenec, sa zoznámil Benjamin Franklin v roku 1758, ktorý potom navštívil Soho. V roku 1766 títo významní muži korešpondovali a diskutovali okrem iného o použiteľnosti parnej energie na rôzne užitočné účely. Navrhli nový parný stroj a Boulton postavil model, ktorý bol poslaný do Franklin a vystavený ním v Londýne. Ešte si neboli vedomí existencie Jamesa Watta.

Keď sa Boulton v roku 1768 stretol s Wattom, páčil sa mu jeho motor a rozhodol sa kúpiť patent na patent. So súhlasom Roebucka ponúkol Watt Boultonovi jednu tretinu záujmu. Hoci došlo k niekoľkým komplikáciám, Roebuck nakoniec navrhol preniesť na Matúša Boultona jednu polovicu svojho vlastníctva v Wattových vynálezoch za sumu 1 000 libier. Tento návrh bol prijatý v novembri 1769.

V novembri 1774 Watt konečne oznámil svojmu starému partnerovi Roebuckovi, že urobil úspešnú skúšku s motorom Kilmeil. Nepísal so zvyčajným entuziazmom a extravaganciou; namiesto toho jednoducho napísal: „Hasičský motor, ktorý som vymyslel, teraz ide a odpovedá oveľa lepšie ako ktorýkoľvek iný, ktorý sa doteraz vyrobil, a očakávam, že vynález bude pre mňa veľmi prospešný. ““

Jedným z dôvodov jeho nedostatku nadšenia bolo to, že jeho manželka zomrela počas pôrodu v predchádzajúcom roku, v septembri 1773. Heartsick, Watt sa pochoval v práci. Od polovice februára 1774 pracoval na teplomeroch a barometroch. Svoje stavebné inžinierstvo ukončil v Škótsku (čiastočne kvôli finančnej kríze v Škótsku) a v máji odišiel na juh do Birminghamu, kde sa pripojil k lunárnej spoločnosti. V roku 1775 uzavrel partnerstvo na plný úväzok s Matthewom Boultonom.

Od tohto momentu bola spoločnosť Boulton a Watt schopná vyrábať celý rad pracovných motorov s aplikáciami v reálnom svete. Boli vydané nové inovácie a patenty pre stroje, ktoré sa mohli použiť na brúsenie, tkanie a frézovanie. Parné motory boli uvedené do prevádzky na prepravu po zemi i po vode. Takmer každý úspešný a dôležitý vynález, ktorý označil história parnej energie po mnoho rokov vznikol v dielňach Boulton a Watt.

Wattova práca s Boultonom ho zmenila na postavu medzinárodného postavenia medzi mužmi listov. Jeho 25-ročný patent mu priniesol bohatstvo; a on a Boulton sa stali lídrami v technologickom osvietenstve v Anglicku so solídnou povesťou pre inovatívne inžinierstvo. Watt sa oženil s Ann Macgregor v roku 1776 a mali dve deti (Gregory a Jessy), z ktorých obe zomreli mladí. James Watt Jr., jeho syn od svojej prvej manželky, prežil svojho otca a pokračoval v úlohe v pokračujúcom anglickom osvietenstve.

V dôsledku svojho partnerstva s Matthewom Boultonom sa James Watt stal veľmi bohatým mužom, ktorý v Handsworthe v Staffordshire vybudoval elegantný zámok známy ako „Heathfield House“. V roku 1800 odišiel do dôchodku a zvyšok svojho života strávil vo voľnom čase a cestoval za priateľmi a rodinou. Zomrel 25. augusta 1819 v Heathfielde. Pochovali ho na cintoríne kostola sv. Márie v Handsworthe.

Veľmi zmysluplným spôsobom viedli Wattove vynálezy priemyselnú revolúciu a inovácie moderného veku, od automobilov a vlakov po továrne a sociálne otázky, ktoré sa vyvinuli ako vyplývať. Okrem toho bolo meno Watta pripojené k uliciam, múzeám a školám. Jeho príbeh inšpiroval knihy, filmy a umelecké diela, vrátane sôch v Piccadilly Gardens a St. Paul's Cathedral.

Na soche u sv. Pavla sú vyryté slová: „James Watt... zväčšil zdroje svojej krajiny, zvýšil ľudskej sily a stúpol na popredné miesto medzi najslávnejších stúpencov vedy a skutočných dobrodincov svet. "

• Jones, Peter M. "Život osvícenstva a francúzskej revolúcie: James Watt, Matthew Boulton a ich synovia." Historický denník 42.1 (1999): 157–82. Tlačiť.
• Hills, Richard L. „Napájanie z pary: História stacionárneho parného motora.“ Cambridge: Cambridge University Press, 1993.
• Miller, David Philip. "„Puffing Jamie“: Komerčný a ideologický význam bytia „filozofom“ v prípade povesti Jamesa Watta (1736–1819)." Dejiny vedy 38.1 (2000): 1–24. Tlačiť.
• „Život a legenda Jamesa Watta: spolupráca, prírodná filozofia a vylepšenie parného motora.“ Pittsburgh: University of Pittsburgh Press, 2019.
• Pugh, Jennifer S. a John Hudson. "Chemické dielo Jamesa Watta, F.R.S." Poznámky a záznamy Kráľovskej spoločnosti v Londýne 40.1 (1985): 41–52. Tlačiť.
• Russell, Ben. "James Watt: Tvorba sveta novým." Londýn: Science Museum, 2014.
• Wright, Michael. "James Watt: hudobný nástroj." The Galpin Society Journal 55 (2002): 104–29. Tlačiť.