Биография на Джеймс Уат, съвременен изобретател на парови двигатели

Джеймс Уат (19 януари 1736 - 25 август 1819) е шотландски изобретател, инженер и химик. Той разработи работещ парен двигател използвал отделен кондензатор; тази иновация направи парния двигател полезен инструмент за широк спектър от приложения. В много отношения изобретението на Уат - или по-скоро неговото усъвършенстване спрямо по-ранно изобретение, паровата машина Newcomen - беше технологичният тласък зад Индустриална революция.

Бързи факти: Джеймс Уат

Джеймс Уат е роден на 19 януари 1736 г. в Гренок, Шотландия, като единственото оцеляло дете на четирима от Джеймс Уат (1699–1737) и Агнес Мърихед (1901–1754). Гренок беше рибарско селище, което по време на живота на Уат се превърна в оживен град с флот от параходи. Дядото на Джеймс младши Томас Уат (1642–1734) е известен математик и местен учител. Джеймс-старши беше виден гражданин на Гренок и успешен дърводелец и корабен чандър, който работеше на екипировка на кораби и работеше върху техните инструменти, компаси и квадрати. В различни моменти Джеймс-старши е бил и главният магистрат и касиер на града.

Джеймс Уат беше интелигентен, но поради лошото си здраве не успя да посещава редовно училище. Вместо това той придоби уменията, от които по-късно ще се нуждае инженерство и инструментариум, като работи с баща си по дърводелски проекти. До 6-годишна възраст Джеймс Уат решаваше геометрични проблеми и провеждаше най-ранното си изследване на природата на парата, което включваше експерименти с чайника с майка му. В детството Уат беше запален читател и откриваше нещо, което да го интересува във всяка книга, която попадне в ръцете му.

Когато Уот най-накрая бил изпратен в училището в селото, лошото му здраве му попречило да постигне бърз напредък; едва когато беше на 13 или 14 години, той започна да проявява своите способности, особено по математика. Свободното му време беше прекарано в скициране с молив, дърворезба и работа на инструменталната пейка с дърво и метал. Той направи много гениални механични работи и някои красиви модели и се наслаждаваше на ремонта на морски инструменти.

След като майка му умира през 1754 г., 18-годишният Уат е изпратен в Глазгоу, за да се обучава като търговец с чичо си Джон Мюрихед. Един от роднините на майка му беше председателят на отдела за ориенталски езици и хуманитарни науки в Глазгоу Колидж, а Уат стана член на литературното общество там. Той се срещна и с други учени в Глазгоу, които биха оказали влиятелни и подкрепящи кариерата му: Робърт Дик, професор по естествена философия, Робърт Симпсън по математика и Уилям Кълън по медицина и химия.

Дик предложи този Уат да отиде в Лондон, за да се обучава като производител на математически инструменти. С писмо за въвеждане Ват заминава за Лондон през 1755 г. и започва работа с производителя на инструменти Джон Морган. Уот официално не е бил чирак, но се занимаваше с механични инструменти: Морган смяташе, че е талантлив, но му отне твърде много време, за да завърши работата си. Работата с Морган приключи през юни 1756 г. и Дик му получи краткосрочна позиция да работи върху астрономически часовник, отразяващ телескопи и транзитни инструменти. Watt се завърна в Greenock в края на годината, но скоро се върна в Глазгоу, където започна малък бизнес в създаването на квадрант. Той е назначен за производител на математически инструменти в Глазгоу Колидж, подкрепен от заместника на Дик Джон Андерсън и от заместника и химик на Кълън Джоузеф Блек (1728–1799). Черният е най-известен с работата си върху латентните и специфични топлини и с откритието си на въглероден диоксид и той трябваше да стане твърд привърженик на Уат.

През 1759 г. Джон Робисън, студент в Глазгоу, показва модел на Ват Новопарен парен двигател и предположи, че може да се използва за задвижване на вагони. Newcomen е изобретен и патентован през 1703 г. от Thomas Newcomen (1664–1729 г.) и Watt започва изграждането миниатюрни модели, използващи калаени парни цилиндри и бутала, прикрепени към задвижващите колела чрез система от предавки. В собствените си експерименти той използвал в началото изпитанията на аптекарите и кухи тръстики за резервоари и тръби за пара, а по-късно пастър на Папин и обикновена спринцовка. Последната комбинация направи некондензиращ двигател, в който той използва пара при налягане от 15 паунда на квадратен инч. Клапанът се работеше на ръка и Джеймс Уат видя, че е необходимо автоматично предаване на клапана, за да се направи работеща машина. Този експеримент обаче не доведе до практически резултат и през следващите няколко години той изостави това изследване.

Ват остава в колежа до 1760-те, когато той започва партньорство с търговец на име Джон Крейг, финансиран частично с Блек. Едно тяхно предприятие е било да произвеждат алкали от сол - през 18 век алкалът може да се произвежда само от растения. Крейг и Уат са били един от няколкото души, които търсят начин да го създадат химически, усилие не е постигнато до 1820 година. Ват и Крейг също са работили върху керамични пещи и глазури за изработка на делфлауер с калай.

През 1764 г. Уат се оженил за Маргарет Милар, известна като Пеги, братовчедка, която познавал откакто са деца. Те трябваше да имат пет деца, само две от които доживяват до пълнолетие: Маргарет, родена през 1767 г., и Джеймс III, роден през 1769 г., който като възрастен ще стане основната опора и бизнес партньор на баща му.

През зимата на 1763–1764 г. Джон Андерсън от Глазгоу помолил Уат да поправи модел на двигателя на Newcomen. Той успя да го накара да работи, но беше любопитно защо машината консумира толкова много пара и кондензираща вода. Уотс започва да изучава историята на парната машина и провежда експериментални изследвания на свойствата на парата.

Моделът с парови двигатели Newcomen имаше котел, който беше направен за мащабиране и не можеше да осигури достатъчно количество пара за захранване на двигателя. В диаметър беше около девет инча; парният цилиндър беше с диаметър два инча и имаше шест инчов ход на буталото. Уат направи нов бойлер, който можеше да измери количеството изпарена вода и парата, кондензираща се при всеки ход на двигателя.

Скоро Ват откри, че двигателят се нуждае от много малко количество пара, за да загрява много голямо количество вода. Той веднага започна да определя с точност относителните тегла на парата и водата в парния цилиндър, когато кондензацията се осъществява при по-ниския ход на двигателя. Джеймс Уат независимо доказа съществуването на „латентна топлина, "което беше открито от неговия наставник и поддръжник Джоузеф Блек. Уат отиде при Блек със своите изследвания, които споделиха знанията си с Уат. Уот откри, че в точка на кипене, кондензиращата му пара е била в състояние да нагрее шест пъти повече от теглото на водата, използвана за производството кондензация.

Осъзнавайки, че теглото на пара за тегло е значително по-голям абсорбиращ и резервоар на топлина от вода, Ват видя важността да се полагат по-големи грижи за икономия, отколкото преди опит. Отначало пестеше в котела и правеше котли с дървени „черупки“, за да предотврати загубите от проводимост и радиация. Той също използва по-голям брой димоотводи, отколкото Newcomen трябваше да осигури по-пълно поглъщане на топлината от пещните газове. Той също покрива парните си тръби с непроводящи материали и взе всички мерки, за да осигури пълното използване на топлината на горене.

Скоро той откри, че източниците на загуба на топлина в двигателя на Newcomen са:

• Разсейването на топлината от самия цилиндър, който беше от месинг и беше едновременно добър проводник и добър радиатор.
• Загубата на топлина вследствие на необходимостта от охлаждане на цилиндъра при всеки ход при производството на вакуум.
• Загубата на мощност поради налягането на парата под буталото, което беше следствие от несъвършения метод на кондензация.

Първият му опит за цилиндър от непроводим материал е направен от дърво, напоено с масло и след това изпечено, което увеличи икономията на парата. След това той провежда серия от много точни експерименти върху температурата и налягането на парата, като измерва количеството пара, използвано при всеки ход на двигателя. Той успя да потвърди предишното си заключение, че три четвърти от топлината, подавана на двигателя, е загубена.

След научните си проучвания Джеймс Уат работи върху усъвършенстването на парната машина с интелигентно разбиране на съществуващите дефекти и познаване на причината за тях. Уот скоро видя, че за да намали загубите при работа на парата в парния цилиндър, би било необходимо да се намери начин постоянно да се поддържа цилиндърът толкова горещ, колкото вложената пара то.

Според Джеймс Уат: „В главата ми се появи идеята, че тъй като парата е еластично тяло, тя ще се втурне във вакуум и, ако беше направена комуникация между цилиндъра и изтощен съд, той ще се втурне в него и може да се кондензира без охлаждане цилиндъра. Тогава видях, че трябва да се отърва от кондензираната пара и инжекционната вода, ако използвам струя, както в двигателя на Newcomen. На мен ми хрумнаха два начина на това: Първо, водата може да се изтича от низходяща тръба, ако на дълбочина от 35 или 36 фута може да се стигне струя и всеки въздух може да се извлича от малка помпа. Второто беше да направим помпата достатъчно голяма, за да извлича вода и въздух. "

Той продължи: „Когато се анализира, изобретението няма да изглежда толкова голямо, колкото изглежда. В състоянието, в което открих парната машина, не беше голямо усилие да наблюдавам, че количеството гориво, необходимо за да работи, завинаги ще попречи на нейната широка полезност. Следващата стъпка в моя напредък беше също толкова лесна - да се запитам каква е причината за големия разход на гориво. Това също беше лесно подсказано, а именно загубата на гориво, която беше необходима, за да доведе целия цилиндър, буталото, и съседни части от студеността на водата до топлината на парата, не по-малко от 15 до 20 пъти в минута. "

Джеймс Уат беше измислил най-важния си отделен кондензатор. Той продължи да направи експериментален тест на новото си изобретение. Малкият му модел работеше много добре и съвършенството на вакуума беше такова, че машината повдигна 18-килограмово тегло, окачено от буталния прът. След това той конструира по-голям модел и резултатът от неговия тест потвърди резултатите от първите му експерименти.

Бяха нужни години, за да може Watt да разбере подробностите на новата парна машина. Като начало Ват трябваше да намери начин да попречи на кондензатора да се напълни с вода. Той опита няколко подхода, включително въздушна помпа, която освобождава кондензатора от водата и въздуха, които се събират в кондензатора и намалява вакуума. След това замести масло и лой за водата, използвана за смазване на буталото, като поддържа парата здраво и предотвратява охлаждането на цилиндъра. Друга причина за охлаждането на цилиндъра и вследствие на това загуба на енергия в неговата работа беше вход на въздух, който следваше буталото надолу по цилиндъра при всеки ход, охлаждайки вътрешността му от него контакт. Изобретателят предотврати това да се случи, като покрие горната част на цилиндъра и заобиколи целия цилиндър с външна корпус или "парна риза", която позволи на парата от котела да премине около парния цилиндър и да натисне върху горната повърхност на бутало.

След като построи по-големия си експериментален двигател, Уат нае помещение в стара пуста къщичка. Там той работи с механика Фолм Гардинер. Току-що Ват се срещна с Джон Роубак, богат лекар, който наскоро заедно с други шотландски капиталисти основал знаменития Железопътен завод Каррон. Roebuck започна да подкрепя финансово усилията на Watt и Watt често пишеше на Roebuck, описвайки неговия напредък.

През август 1765 г. той опита малкия двигател и написа Roebuck, че има "добър успех", въпреки че машината е много несъвършена, и информира Roebuck, че започва да прави по-големия модел. През октомври 1765 г. той завършва големия парен двигател. Двигателят, въпреки че беше готов за изпитание, все още беше далеч от перфектния. Въпреки това се справи добре за такава сурова машина.

За съжаление до 1765 г. Джеймс Уат е сведен до бедност и след като взема назаем значителни суми от приятели, най-накрая трябваше да си търси работа, за да осигури семейството си. По време на период от около две години той се поддържаше като строителен инженер, проучвайки и управлявайки сградата на няколко канала в Шотландия и проучване на въглищни находища в квартала на Глазгоу за магистратите на град. Той обаче не се отказва изцяло от изобретението си.

През 1767 г. Робък пое задълженията на Ват в размер на 1000 британски лири и се съгласи да предостави повече капитал в замяна на две трети от патента на Уат. Друг двигател е построен с парен цилиндър с диаметър седем или осем инча, който е завършен през 1768 година. Това работи достатъчно добре, за да накара партньорите да поискат патент, а спецификациите и чертежите са завършени и представени през 1769 г.

Watt също така изгради и настрои няколко Newcomen двигатели, отчасти, може би, за да се запознае по-подробно с практическите детайли на изграждането на двигателя. Междувременно той подготвя планове и изгражда умерено голям двигател от собствения си нов тип. Паровият му цилиндър е с диаметър 18 инча, а ходът на буталото е 5 фута. Този двигател е построен в Kinneil и е завършен през септември 1769 година. Не всичко беше задоволително нито в конструкцията, нито в експлоатацията си. Кондензаторът беше повърхностен кондензатор, съставен от тръби, донякъде като тези, използвани в първия му малък модел и не се оказа достатъчно здраво. Парното бутало изтече сериозно и многократните изпитания само послужиха за несъвършенството на несъвършенствата. Той беше подпомогнат с финансова и морална подкрепа както от Джоузеф Блек, така и от Джон Роубак, но се почувства категорично за рисковете, които избягваше от участието на приятелите си в сериозни загуби и стана много унил.

Пишейки до Блек, Уат каза: „От всички неща в живота няма нищо по-глупаво от измислянето; и вероятно повечето от изобретателите са били водени на същото мнение от собствения си опит. "

През 1768 г. Джеймс Уат пътува до Лондон, за да получи патента си, и по пътя се срещна с Матю Бултън. Boulton беше собственик на компания за производство в Бирмингам, известна като Soho Manufactory, която правеше малки метални изделия. Той наследи бизнеса на баща си и го изгради значително. Той и неговият бизнес бяха много известни в английското просветителско движение в средата на 18 век.

Бултън беше добър учен, със знание на езици и науки, особено на математиката, въпреки че беше напуснал училище като момче, за да отиде да работи в магазина на баща си. В магазина той скоро представи редица ценни подобрения и винаги търсеше други идеи, които биха могли да бъдат въведени в неговия бизнес.

Той беше и член на известния Лунно общество от Бирмингам, група мъже, които се срещнаха, за да обсъдят заедно естествената философия, инженерството и индустриалното развитие: други членове включиха откривателя на кислорода Джоузеф Притли,Еразъм Дарвин (дядо на Чарлз Дарвин) и експерименталния грънчар Джосия Уеджвуд. Уат се присъедини към групата, след като стана партньор на Boulton.

Пламен и енергичен учен, Бултън се запозна с Бенджамин Франклин през 1758 г., който след това посещава Сохо. Към 1766 г. тези отличени мъже си кореспондират, обсъждайки между другото приложимостта на силата на пара за различни полезни цели. Те проектираха нова парна машина и Boulton построи модел, който беше изпратен до Franklin и изложен от него в Лондон. Тепърва трябваше да осъзнават съществуването на Джеймс Уат.

Когато Boulton се срещна с Watt през 1768 г., той хареса своя двигател и реши да купи интерес към патента. Със съгласието на Роубак Уат предложи на Бултън една трета интерес. Въпреки че имаше няколко усложнения, в крайна сметка Роубък предложи да прехвърли на Матю Бултън половината от собственика си в изобретенията на Уат за сумата от 1000 паунда. Това предложение е прието през ноември 1769 г.

През ноември 1774 г. Уат най-накрая обявява на стария си партньор Роубък, че е направил успешно изпитание на двигателя Kilmeil. Не пишеше с обичайния си ентусиазъм и екстравагантност; вместо това той просто написа: „Пожарната машина, която съм измислил, сега върви и отговаря много по-добре от всяка друга, която все още е направена, и очаквам, че изобретение ще ми бъде много полезно. "

Една от причините за липсата му на ентусиазъм е, че съпругата му е починала по време на раждането през предходната година, през септември 1773 година. Сърце, Уат се зарови в работа. От средата на февруари 1774 г. той работи върху термометри и барометри. Той завършва бизнеса си в строителството в Шотландия (отчасти заради финансова криза в Шотландия) и през май пътува на юг до Бирмингам, където се присъединява към Лунното общество. През 1775 г. той влиза в пълно работно партньорство с Матю Бултън.

От този момент нататък фирмата на Boulton и Watt е в състояние да произвежда редица работещи двигатели с приложения в реални условия. Бяха извадени нови иновации и патенти за машини, които могат да се използват за шлайфане, тъкане и фрезоване. Парови двигатели бяха пуснати в употреба за транспорт както по суша, така и по вода. Почти всяко успешно и важно изобретение, което белязало история на мощността на пара дълги години произхожда от работилниците Boulton и Watt.

Работата на Ват с Бултън го превърна във фигура с международен ръст сред писмени мъже. 25-годишният му патент му донесе богатство; и той, и Boulton станаха лидери в технологичното Просвещение в Англия, със солидна репутация на иновативното инженерство. Уат се ожени за Ан Макгрегор през 1776 г. и те имат две деца (Грегъри и Джеси), и двете от които ще умрат млади. Джеймс Уат-младши, синът му от първата му съпруга, оцелява при баща си и продължава да играе роля в продължаващото английско просвещение.

В резултат на партньорството си с Матю Бултън, Джеймс Уат се превръща в много богат човек, изграждайки елегантно имение, известно като „Хийтфийлд Хаус“ в Хандсуърт, Стафордшир. Той се пенсионира през 1800 г. и прекарва остатъка от живота си в свободното време и пътуването, за да посети приятели и семейство. Умира на 25 август 1819 г. в Хийтфийлд. Погребан е в гробището на църквата "Света Мария" в Хандсуърт.

По много смислен начин изобретяванията на Уат пришпориха индустриалната революция и иновациите на модерна епоха, варираща от автомобили и влакове до фабрики и социалните проблеми, които се развиват като доведе. Освен това името на Уат е прикрепено към улици, музеи и училища. Неговата история е вдъхновила книги, филми и произведения на изкуството, включително статуи в Пикадили Гардънс и Катедралата Свети Павел.

Върху статуята в Сейнт Пол са гравирани думите: "Джеймс Уат... увеличи ресурсите на своята страна, увеличи силата на човека и се издигна до видно място сред най-известните последователи на науката и истинските благодетели на свят. "

• Джоунс, Питър М. "Да живеем Просвещението и Френската революция: Джеймс Уат, Матю Бултън и техните синове." Историческият вестник 42.1 (1999): 157–82. Печат.
• Хилс, Ричард Л. „Мощност от Steam: История на стационарния парови двигател.“ Cambridge: Cambridge University Press, 1993.
• Милър, Дейвид Филип. "„Пуф Джейми“: Търговското и идеологическото значение на това да бъдеш „философ“ в случая с репутацията на Джеймс Уат (1736–1819)." История на науката 38.1 (2000): 1–24. Печат.
• "Животът и легендата на Джеймс Уат: Сътрудничество, Естествена философия и усъвършенстването на паровия двигател." Питсбърг: University of Pittsburgh Press, 2019.
• Пю, Дженифър С. и Джон Хъдсън. "Химическата работа на James Watt, F.R.S." Записки и записи на Кралското общество в Лондон 40.1 (1985): 41–52. Печат.
• Ръсел, Бен. "Джеймс Уат: Създаване на света." Лондон: Музей на науката, 2014 г.
• Райт, Майкъл. "Джеймс Уат: Създател на музикални инструменти." Списанието на Galpin Society 55 (2002): 104–29. Печат.