Биография Джеймса Уотта, изобретателя современного парового двигателя

Джеймс Уотт (19 января 1736 года - 25 августа 1819 года) был шотландским изобретателем, инженером и химиком. Он разработал работоспособный паровой двигатель который использовал отдельный конденсатор; Это нововведение сделало паровой двигатель полезным инструментом для широкого спектра применений. Во многих отношениях изобретение Уатта или, точнее, его усовершенствование более раннего изобретения, парового двигателя Newcomen, было технологическим стимулом, стоящим за Индустриальная революция.

Быстрые факты: Джеймс Уотт

Джеймс Уотт родился 19 января 1736 года в Гриноке, Шотландия, как единственный выживший ребенок из четырех детей: Джеймс Уотт (1699–1737) и Агнес Мьюерхед (1901–1754). Гринок был рыбацкой деревней, которая при жизни Ватта стала оживленным городом с парком пароходов. Дед Джеймса младшего Томас Уотт (1642–1734) был известным математиком и местным школьным учителем. Джеймс старший был выдающимся гражданином Гринока и успешным плотником и судовым чендлером, который работал над оснащением кораблей и над инструментами, компасами и квадрантами. В разное время Джеймс старший был также главным судьей и казначеем города.

Джеймс Уотт был умен, но из-за слабого здоровья не мог регулярно посещать школу. Вместо этого он приобрел навыки, которые ему понадобятся позже инжиниринг и инструментарий, работая с отцом в столярных проектах. К 6 годам Джеймс Уотт решал геометрические задачи и проводил свое самое раннее исследование природы пара, которое включало эксперименты с чайником его матери. В детстве Уатт был заядлым читателем и находил что-то, что могло заинтересовать его в каждой книге, которая попала ему в руки.

Когда Ватта наконец отправили в деревенскую школу, его плохое здоровье помешало ему быстро прогрессировать; только когда ему было 13 или 14 лет, он начал проявлять свои способности, особенно в области математики. В свободное время он рисовал карандашом, резал и работал на инструментальной скамье из дерева и металла. Он сделал много гениальных механических работ и несколько прекрасных моделей, и ему нравилось ремонтировать морские инструменты.

После того, как его мать умерла в 1754 году, 18-летний Ватт был отправлен в Глазго, чтобы обучаться в качестве торговца вместе со своим дядей Джоном Мюрхедом. Один из родственников его матери был заведующим кафедрой восточных языков и гуманитарных наук в Глазго-колледже, и Уотт стал членом там литературного общества. Он также встретил других ученых в Глазго, которые окажут влияние и поддержат его карьеру: Роберт Дикпрофессор естественной философии, Роберт Симпсон по математике и Уильям Каллен по медицине и химии.

Это был Дик, который предложил Уотту поехать в Лондон, чтобы получить подготовку по изготовлению математического инструмента. С рекомендательным письмом Ватт уехал в Лондон в 1755 году и начал работать с производителем инструментов Джоном Морганом. Ватт официально не был учеником, но он занимался механическим приборостроением: Морган думал, что он талантлив, но слишком долго заканчивал свою работу. Работа с Морганом закончилась в июне 1756 года, и Дик дал ему краткосрочную должность для работы над астрономическими часами, телескопами и транзитными приборами. Ватт вернулся в Гринок в конце года, но вскоре вернулся в Глазго, где начал небольшой бизнес по производству квадрантов. Он был назначен мастером математических инструментов в колледже Глазго, при поддержке заместителя Дика Джона Андерсона и заместителя Каллена и химика Джозеф Блэк (1728–1799). Черный известен прежде всего его работой над скрытыми и определенными нагревами и его открытием углекислого газа, и он должен был стать убежденным сторонником Уотта.

В 1759 году Джон Робисон, студент из Глазго, показал Ватту модель Ньюкомен паровой двигатель и предположил, что это может быть использовано для продвижения вагонов. Ньюкомен был изобретен и запатентован в 1703 году Томасом Ньюкоменом (1664–1729), и Ватт начал строить миниатюрные модели с использованием жестяных паровых цилиндров и поршней, прикрепленных к ведущим колесам системой зубчатых колес. В своих собственных экспериментах он сначала использовал испытания аптекарей и полые трости для паровых резервуаров и труб, а затем - варочный котел Папина и обычный шприц. Последняя комбинация сделана безконденсатным двигателем, в котором он использовал пар под давлением 15 фунтов на квадратный дюйм. Клапан работал вручную, и Джеймс Уотт увидел, что для создания работающей машины необходим автоматический механизм клапана. Этот эксперимент, однако, не привел к практическому результату, и в течение следующих нескольких лет он отказался от этого исследования.

Уотт оставался в колледже до 1760-х годов, когда он вступил в партнерство с торговцем по имени Джон Крейг, частично финансируемым черными. Одним из их предприятий было производство щелочи из соли - в 18 веке щелочь можно было производить только из растений. Крейг и Ватт были одними из нескольких людей, которые искали способ создать его химически, но усилия не были достигнуты до 1820 года. Ватт и Крейг также работали над гончарными печами и глазурями для изготовления оловянной глазури.

В 1764 году Ватт женился на Маргарет Миллар, известной как Пегги, двоюродной сестре, которую он знал с детства. У них должно было быть пять детей, только двое из которых дожили до совершеннолетия: Маргарет, родившаяся в 1767 году, и Джеймс III, родившийся в 1769 году, который, будучи взрослым, станет главной опорой и деловым партнером своего отца.

Зимой 1763–1764 гг. Джон Андерсон в Глазго попросил Ватта отремонтировать модель двигателя Newcomen. Он смог запустить его, но ему было любопытно, почему машина потребляет так много пара и конденсирующейся воды. Уоттс начал изучать историю парового двигателя и проводил экспериментальные исследования свойств пара.

Модель парового двигателя Newcomen имела котел, который был сделан в масштабе и был неспособен обеспечить достаточно пара, чтобы привести двигатель в действие. Это было около девяти дюймов в диаметре; паровой цилиндр имел два дюйма в диаметре и ход поршня в шесть дюймов. Ватт сделал новый котел, который мог бы измерять количество испаренной воды и конденсированного пара при каждом обороте двигателя.

Ватт вскоре обнаружил, что двигателю требуется очень небольшое количество пара для нагрева очень большого количества воды. Он сразу же начал с точностью определять относительный вес пара и воды в паровом цилиндре, когда произошла конденсация при ходе опускания двигателя. Джеймс Уотт независимо доказал существованиескрытая теплота", который был обнаружен его наставником и сторонником Джозефом Блэком. Ватт отправился в Блэк со своими исследованиями, которые поделились своими знаниями с Ваттом. Ватт обнаружил, что на точка кипенияего конденсирующийся пар был способен нагревать в шесть раз больше веса воды, используемой для производства конденсация.

Понимая, что вес пара по весу был значительно большим поглотителем и резервуаром тепла, чем вода, Уотт понимал важность более тщательной экономии, чем раньше попытка. Сначала он экономил на котле и изготавливал котлы с деревянными «ракушками», чтобы предотвратить потери проводимость и излучение. Он также использовал большее количество дымоходов, чем Newcomen, чтобы обеспечить более полное поглощение тепла от печных газов. Он также покрыл свои паровые трубы непроводящими материалами и принял все меры предосторожности, чтобы обеспечить полное использование тепла сгорание.

Вскоре он обнаружил, что источниками потери тепла в двигателе Newcomen были:

• Рассеяние тепла от самого цилиндра, который был из латуни и был хорошим проводником и хорошим радиатором.
• Потеря тепла является следствием необходимости охлаждения цилиндра на каждом такте при производстве вакуум.
• Потеря мощности из-за давления пара под поршнем, что стало следствием несовершенного способа конденсации.

Его первая попытка цилиндра из непроводящего материала была сделана из дерева, пропитанного маслом, а затем обожженного, что увеличило экономию пара. Затем он провел серию очень точных экспериментов по температуре и давлению пара, измерив количество пара, используемого при каждом такте двигателя. Он смог подтвердить свой предыдущий вывод о том, что три четверти тепла, подаваемого на двигатель, были потрачены впустую.

После своих научных исследований Джеймс Уотт работал над улучшением парового двигателя с интеллектуальным пониманием его существующих дефектов и знанием их причины. Ватт вскоре увидел, что для того, чтобы уменьшить потери при работе пара в паровом цилиндре, было бы необходимо найти способ постоянно поддерживать цилиндр таким же горячим, как входящий в него пар Это.

По словам Джеймса Уатта: «Мне пришла в голову мысль, что, поскольку пар представляет собой упругое тело, он устремится в вакуум, и, если между цилиндром и истощенным сосудом была установлена ​​связь, он мог бы устремиться в него и мог бы там конденсироваться без охлаждения цилиндр Затем я увидел, что должен избавиться от конденсированного пара и воды для впрыска, если бы использовал струю, как в двигателе Ньюкомена. Мне пришло в голову два способа сделать это: во-первых, вода могла бы стекать по нисходящей трубе, если на глубине 35 или 36 футов можно было достать струю, а любой воздух мог быть извлечен небольшим насосом. Второе - сделать насос достаточно большим, чтобы извлекать воду и воздух ».

Он продолжил: «Если проанализировать, изобретение не будет выглядеть так здорово, как казалось. В том состоянии, в котором я обнаружил паровой двигатель, не было большого труда заметить, что количество топлива, необходимое для его работы, навсегда помешает его обширной полезности. Следующий шаг в моем продвижении был одинаково легким - выяснить, что стало причиной большого расхода топлива. Это также было легко предположить, а именно, трата топлива, которое было необходимо, чтобы привести весь цилиндр, поршень, и прилегающие части от холода воды до тепла пара, не менее, чем от 15 до 20 раз в минуту ".

Джеймс Уотт изобрел свой важнейший отдельный конденсатор. Он приступил к экспериментальной проверке своего нового изобретения. Его маленькая модель работала очень хорошо, и совершенство вакуума было таким, что машина подняла 18-фунтовый груз, подвешенный к штоку поршня. Затем он сконструировал более крупную модель, и результаты ее испытаний подтвердили результаты его первых экспериментов.

Уотту потребовались годы, чтобы выяснить детали нового парового двигателя. Для начала Ватту нужно было найти способ не допустить наполнения конденсатора водой. Он попробовал несколько подходов, в том числе воздушный насос, который сбрасывал в конденсатор воду и воздух, которые собирались в конденсаторе, и уменьшал вакуум. Затем он заменил масло и жир для воды, используемой для смазки поршня, удерживая пар плотно и предотвращая охлаждение цилиндра. Другой причиной охлаждения цилиндра и последующей потери энергии при его эксплуатации была вход воздуха, который следовал за поршнем вниз по цилиндру при каждом ударе, охлаждая его внутреннюю контакт. Изобретатель предотвратил это, покрыв верхнюю часть цилиндра и окружив весь цилиндр внешним кожух, или «паровая рубашка», которая позволяла пару из котла проходить вокруг парового цилиндра и давить на верхнюю поверхность поршень.

Построив свой экспериментальный двигатель большего размера, Ватт снял комнату в старом заброшенном коттедже. Там он работал с механиком Фольмом Гардинером. Ватт только что встретил Джона Робака, богатого врача, который вместе с другими шотландскими капиталистами недавно основал знаменитый Carron Iron Works. Робак начал финансово поддерживать усилия Ватта, и Ватт часто писал Робаку, описывая его успехи.

В августе 1765 года он попробовал маленький двигатель и написал Roebuck, что у него «хороший успех», хотя машина была очень несовершенна, и сообщил Roebuck, что он начинает делать большую модель. В октябре 1765 года он закончил работу большого парового двигателя. Двигатель, хотя и готовый к испытанию, был еще далек от совершенства. Тем не менее, он сделал хорошую работу для такой сырой машины

К сожалению, к 1765 году Джеймс Уотт был доведен до нищеты, и, одолжив у друзей значительные суммы, ему, наконец, пришлось искать работу, чтобы обеспечить свою семью. В течение двух лет он работал инженером-строителем, занимаясь геодезией и управлением зданием. несколько каналов в Шотландии и разведка угольных месторождений в окрестностях Глазго для магистратов город. Однако он не полностью отказался от своего изобретения.

В 1767 году Робак взял на себя обязательства Уотта в размере 1000 британских фунтов и согласился предоставить больший капитал в обмен на две трети патента Ватта. Другой двигатель был построен с паровым цилиндром диаметром семь или восемь дюймов, который был закончен в 1768 году. Это работало достаточно хорошо, чтобы побудить партнеров запрашивать патент, а спецификации и чертежи были завершены и представлены в 1769 году.

Ватт также построил и установил несколько двигателей Newcomen, возможно, частично, чтобы он мог более подробно ознакомиться с практическими деталями сборки двигателей. Тем временем он подготовил планы и создал умеренно большой двигатель своего нового типа. Его паровой цилиндр был 18 дюймов в диаметре, а ход поршня был 5 футов. Этот двигатель был построен в Киннейле и был закончен в сентябре 1769 года. Не все было удовлетворительно ни по конструкции, ни по эксплуатации. Конденсатор представлял собой поверхностный конденсатор, состоящий из труб, похожих на те, которые использовались в его первой маленькой модели, и не оказывался достаточно плотным. Паровой поршень протекал серьезно, и повторные испытания только сделали его недостатки более очевидными. Ему помогала финансовая и моральная поддержка как Джозефа Блэка, так и Джона Робака, но он чувствовал твердо о рисках, связанных с вовлечением его друзей в серьезные потери и стал очень подавленный.

В письме Черному Ватт сказал: «Из всех вещей в жизни нет ничего более глупого, чем изобретать; и, вероятно, большинство изобретателей были основаны на том же мнении из-за собственного опыта ».

В 1768 году Джеймс Уотт отправился в Лондон, чтобы получить свой патент, и по дороге встретил Мэтью Боултона. Боултон был владельцем бирмингемской производственной компании, известной как мануфактура Сохо, которая производила мелкие металлические изделия. Он унаследовал бизнес своего отца и создал его значительно. Он и его бизнес были очень хорошо известны в английском просветительском движении середины 18-го века.

Боултон был хорошим ученым со значительным знанием языков и естественных наук, особенно математики, несмотря на то, что в детстве он бросил школу и пошел работать в мастерскую своего отца. В магазине он вскоре представил ряд ценных улучшений, и он всегда искал другие идеи, которые могли бы быть внедрены в его бизнес.

Он был также членом известного Лунное общество Бирмингемагруппа людей, которые собрались вместе, чтобы обсудить естественную философию, инженерию и промышленное развитие: среди других участников был исследователь кислорода Джозеф Пристли,Эразм Дарвин (дедушка Чарльза Дарвина) и экспериментальный гончар Джосия Веджвуд. Ватт присоединился к группе после того, как стал партнером Бултона.

Яркий и энергичный ученый, Боултон познакомился с Бенджамин Франклин в 1758 году, который затем посетил Сохо. К 1766 году эти выдающиеся люди переписывались, обсуждая, среди прочего, применимость энергии пара для различных полезных целей. Они разработали новый паровой двигатель, и Боултон построил модель, которая была отправлена ​​Франклину и выставлена ​​им в Лондоне. Им еще предстояло осознать существование Джеймса Уотта.

Когда Боултон встретил Уотта в 1768 году, ему понравился его двигатель, и он решил купить долю в патенте. С согласия Робака Уотт предложил Боултону долю в одну треть. Хотя было несколько осложнений, в конце концов Робак предложил передать Мэтью Боултону половину его собственности на изобретения Уатта на сумму 1000 фунтов. Это предложение было принято в ноябре 1769 года.

В ноябре 1774 года Ватт наконец объявил своему старому партнеру Робаку, что он успешно провел испытания двигателя Килмейл. Он не писал со своим обычным энтузиазмом и расточительностью; вместо этого он просто написал: «Пожарная машина, которую я изобрел, сейчас работает, и отвечает гораздо лучше, чем любая другая, которая еще была сделана, и я ожидаю, что изобретение будет очень полезным для меня. "

Одной из причин его отсутствия энтузиазма было то, что его жена умерла во время родов в прошлом году, в сентябре 1773 года. Сердцебиение, Ватт уткнулся в работу. С середины февраля 1774 года он работал над термометрами и барометрами. Он закончил свой строительный бизнес в Шотландии (частично из-за финансового кризиса в Шотландии), а в мае он отправился на юг в Бирмингем, где присоединился к Лунному обществу. В 1775 году он вступил в постоянное партнерство с Мэтью Боултоном.

С этого момента фирма Boulton and Watt смогла изготовить целый ряд работающих двигателей для реальных применений. Были получены новые инновации и патенты на станки, которые можно использовать для шлифования, ткачества и фрезерования. Паровые двигатели были введены в эксплуатацию для перевозки как по суше, так и по воде. Почти каждое успешное и важное изобретение, которое история паровой энергетики в течение многих лет возникла в мастерских Боултона и Ватта.

Работа Уотта с Боултоном превратила его в фигуру международного уровня среди писателей. Его 25-летний патент принес ему богатство; и он, и Боултон стали лидерами в области технологического просвещения в Англии, имея солидную репутацию инновационного инжиниринга. Ватт женился на Энн Макгрегор в 1776 году, и у них было двое детей (Грегори и Джесси), оба из которых умрут молодыми. Джеймс Уотт-младший, его сын от своей первой жены, пережил своего отца и продолжал играть роль в продолжающемся английском просвещении.

В результате своего партнерства с Мэтью Боултоном, Джеймс Уотт стал очень богатым человеком, построив элегантный особняк, известный как «Дом Хитфилда» в Хэндсворте, Стаффордшир. Он вышел на пенсию в 1800 году и провел остаток своей жизни в свободное время и путешествия, чтобы навестить друзей и семью. Он умер 25 августа 1819 года в Хитфилде. Он был похоронен на кладбище церкви Святой Марии в Хэндсворте.

В очень значительном смысле изобретения Ватта стимулировали промышленную революцию и инновации современную эпоху, начиная от автомобилей и поездов до заводов и социальных вопросов, которые развивались как результат. Кроме того, имя Уатта было прикреплено к улицам, музеям и школам. Его история вдохновила книги, фильмы и произведения искусства, в том числе статуи в садах Пикадилли и соборе Святого Павла.

На статуе Святого Павла выгравированы слова: «Джеймс Уотт... увеличил ресурсы своей страны, увеличил сила человека, и поднялся на видное место среди самых выдающихся последователей науки и реальных благодетелей Мир."

• Джонс, Питер М. "Проживание Просвещения и Французская революция: Джеймс Уотт, Мэтью Боултон и их сыновья." Исторический журнал 42.1 (1999): 157–82. Распечатать.
• Хиллз, Ричард Л. «Сила от Steam: История стационарного парового двигателя». Кембридж: издательство Кембриджского университета, 1993.
• Миллер, Дэвид Филипп. "«Пыхтящий Джейми»: коммерческая и идеологическая важность того, чтобы быть «философом» в случае репутации Джеймса Уотта (1736–1819)." История науки 38.1 (2000): 1–24. Распечатать.
• «Жизнь и легенда о Джеймсе Уатте: сотрудничество, естественная философия и совершенствование парового двигателя». Питтсбург: Университет Питсбургской Прессы, 2019.
• Пью, Дженнифер С. и Джон Хадсон. "Химическая работа Джеймса Уотта, Ф.Р.С.." Заметки и отчеты Королевского общества Лондона 40.1 (1985): 41–52. Распечатать.
• Рассел, Бен. «Джеймс Уотт: создание мира заново». Лондон: Музей науки, 2014.
• Райт, Майкл. "Джеймс Уотт: производитель музыкальных инструментов." Журнал общества Галпин 55 (2002): 104–29. Распечатать.