لا يمكنني التفكير في أي شيء آخر سوى هذه الآلة.
James Watt كان مخترعاً ومهندساً ميكانيكياً وكيميائياً اسكتلندياً حسّن محرك البخار Newcomen من عام 1712 بمحرك البخار Watt في عام 1776، الذي كان أساسياً للتغييرات التي جلبتها الثورة الصناعية في بريطانيا العظمى موطنه الأصلي وبقية أنحاء العالم.
أثناء عمله كصانع أدوات في جامعة Glasgow، اهتم Watt بتكنولوجيا محركات البخار. أدرك أن تصاميم المحركات المعاصرة أهدرت الكثير من الطاقة بسبب تبريد وإعادة تسخين الأسطوانة بشكل متكرر. قدّم Watt تحسيناً في التصميم، المكثف المنفصل، الذي تجنب هذا الهدر في الطاقة وحسّن قوة وكفاءة واقتصادية محركات البخار بشكل جذري. في النهاية قام بتكييف محركه لإنتاج حركة دورانية، مما وسّع بشكل كبير استخدامه إلى ما هو أبعد من ضخ الماء.
حاول Watt تسويق اختراعه، لكنه واجه صعوبات مالية كبيرة حتى دخل في شراكة مع Matthew Boulton في عام 1775. أصبحت الشركة الجديدة Boulton and Watt ناجحة جداً في النهاية وأصبح Watt رجلاً ثرياً. في تقاعده، استمر Watt في تطوير اختراعات جديدة لكن لم يكن أي منها بأهمية عمله على محرك البخار.
طوّر مفهوم الحصان الميكانيكي، والوحدة SI للقوة، الواط، تم تسميتها على اسمه.
الحياة المبكرة والتعليم
وُلد James Watt في 19 يناير 1736 في Greenock، Renfrewshire، الأكبر بين خمسة أطفال نجوا من Agnes Muirhead 1703–1755 و James Watt 1698–1782. جاءت والدته من عائلة مميزة، وتلقت تعليماً جيداً وقيل أنها ذات شخصية قوية، بينما كان والده بناء سفن وصاحب سفن ومقاول، وخدم كرئيس أمناء Greenock في عام 1751. كان والدا Watt من المشيخيين والمعاهدين الأقوياء، لكن على الرغم من التربية الدينية أصبح لاحقاً ربوبياً. كان جد Watt، Thomas Watt 1642–1734، معلماً للرياضيات والمساحة والملاحة وأميناً لبارون Cartsburn.
في البداية تلقى Watt تعليمه في البيت من والدته، ثم التحق لاحقاً بـ Greenock Grammar School. هناك أظهر استعداداً للرياضيات، بينما لم تهمه اللاتينية واليونانية.
يُقال أنه عانى من نوبات طويلة من المرض في الطفولة ومن صداع متكرر طوال حياته.
بعد ترك المدرسة عمل Watt في ورش أعمال والده، مظهراً براعة ومهارة كبيرة في إنشاء نماذج هندسية. بعد أن واجه والده بعض المشاريع التجارية غير الناجحة، ترك Watt مدينة Greenock للبحث عن عمل في Glasgow كصانع أدوات رياضية.
السيرة الذاتية
عندما كان عمره 18 عاماً توفيت والدته وبدأت صحة والده تتدهور. سافر Watt إلى London وتمكن من الحصول على فترة تدريب كصانع أدوات لمدة سنة 1755/56، ثم عاد إلى Scotland، واستقر في مدينة Glasgow التجارية الكبرى بقصد إنشاء عمله الخاص في صناعة الأدوات. كان لا يزال صغير السن جداً ولم يكن قد أكمل تدريباً كاملاً، لم تكن لديه الاتصالات المعتادة عبر سيد سابق لتثبيت نفسه كصانع أدوات عامل.
نجا Watt من هذا المأزق بوصول أدوات فلكية من Jamaica تركتها وصية Alexander Macfarlane لجامعة Glasgow، أدوات احتاجت إلى عناية خبيرة. قام Watt باستعادتها للعمل بحالة جيدة وتم دفع أجر له. تم تثبيت هذه الأدوات في النهاية في Macfarlane Observatory. بعد ذلك، عرض عليه ثلاثة أساتذة فرصة إنشاء ورشة صغيرة داخل الجامعة. تم إطلاقها في عام 1757 واثنان من الأساتذة، الفيزيائي والكيميائي Joseph Black وكذلك Adam Smith الشهير، أصبحا أصدقاء Watt.
في البداية عمل على صيانة وإصلاح الأدوات العلمية المستخدمة في الجامعة، ومساعدة العروض التوضيحية، وتوسيع إنتاج الربعيات. قام بصنع وإصلاح الربعيات العاكسة النحاسية والمساطر المتوازية والمقاييس وأجزاء التلسكوبات والبارومترات، من بين أشياء أخرى.
يُقال أحياناً بشكل خاطئ أنه واجه صعوبة في تأسيس نفسه في Glasgow بسبب معارضة من Trades House، لكن هذه الأسطورة تم دحضها بشكل شامل من قبل المؤرخ Lumsden. السجلات من هذه الفترة ضاعت لكن من المعروف أنه تمكن من العمل والتجارة بشكل طبيعي تماماً كعامل معادن ماهر، لذا يجب أن يكون Incorporation of Hammermen قد أقر أنه يستوفي متطلباتهم للعضوية. من المعروف أيضاً أن أشخاصاً آخرين في مجالات المعادن تم مطاردتهم بسبب العمل دون أن يكونوا أعضاء في الحركة حتى القرن التاسع عشر، لذا كانت القواعد يتم تطبيقها بالفعل عندما كان Watt يتاجر بحرية في جميع أنحاء المدينة.
في عام 1759 شكّل شراكة مع John Craig، مهندس معماري ورجل أعمال، لتصنيع وبيع مجموعة من المنتجات تشمل الآلات الموسيقية والألعاب. استمرت هذه الشراكة للسنوات الست التالية، وعملت بما يصل إلى ستة عشر عاملاً. توفي Craig في عام 1765. موظف واحد، Alex Gardner، استولى في النهاية على العمل، الذي استمر في القرن العشرين.
في عام 1764، تزوج Watt من ابنة عمومته Margaret Peggy Miller، وأنجب معها خمسة أطفال، اثنان منهم عاشا حتى مرحلة البلوغ: James Jr. 1769–1848 و Margaret 1767–1796. توفيت زوجته في الولادة في عام 1772. في عام 1777 تزوج مرة أخرى، من Ann MacGregor، ابنة صاحب صبغة Glasgow، وأنجب معها طفلين: Gregory 1777–1804، الذي أصبح جيولوجياً وعالم معادن، و Janet 1779–1794. توفيت Ann في عام 1832. بين عامي 1777 و 1790 عاش في Regent Place، Birmingham.
Watt والغلاية
هناك قصة شهيرة مفادها أن Watt استلهم اختراع محرك البخار برؤيته غلاية تغلي، والبخار يفرض الغطاء للارتفاع وبالتالي يظهر لـ Watt قوة البخار. تُروى هذه القصة بأشكال عديدة؛ في البعض منها Watt صبي صغير، في آخرين يكون أكبر سناً، أحياناً تكون غلاية والدته، أحياناً غلاية عمته. لم يخترع Watt في الواقع محرك البخار، كما تعني القصة، لكنه حسّن بشكل درامي كفاءة محرك Newcomen الموجود بإضافة مكثف منفصل. من الصعب شرح هذا لشخص غير مألوف بمفاهيم الحرارة والكفاءة الحرارية. يبدو أن القصة تم إنشاؤها، ربما بواسطة ابن Watt James Watt Jr.، وتستمر لأنها سهلة الفهم والتذكر للأطفال. في هذا الضوء يمكن اعتبارها مشابهة لقصة Isaac Newton والتفاحة الساقطة واكتشافه للجاذبية.
على الرغم من أنه غالباً ما يتم رفضها كأسطورة، فإن قصة Watt والغلاية لها أساس في الواقع. في محاولة فهم الديناميكا الحرارية للحرارة والبخار، قام James Watt بإجراء العديد من التجارب المخبرية وتسجل مذكراته أنه في إجراء هذه التجارب استخدم غلاية كمرجل لتوليد البخار.
التجارب المبكرة مع البخار
في عام 1759 لفت صديق Watt، John Robison، انتباهه إلى استخدام البخار كمصدر للقوة المحركة. لم يتغير تصميم محرك Newcomen، المستخدم منذ ما يقرب من 50 سنة لضخ الماء من المناجم، تقريباً منذ تطبيقه الأول. بدأ Watt التجريب مع البخار، على الرغم من أنه لم يرَ أبداً محرك بخار يعمل. حاول بناء نموذج؛ فشل في العمل بشكل مرضٍ، لكنه استمر في تجاربه وبدأ في قراءة كل شيء يمكنه عن الموضوع. توصل إلى إدراك أهمية الحرارة الكامنة—الطاقة الحرارية المنطلقة أو الممتصة أثناء عملية درجة حرارة ثابتة—في فهم المحرك، والذي، بدون معرفة من Watt، اكتشفه صديقه Joseph Black سابقاً قبل سنوات. كان الفهم لمحرك البخار في حالة بدائية جداً، لأن علم الديناميكا الحرارية لم يتم تشكيله رسمياً لما يقرب من 100 سنة أخرى.
في عام 1763، طُلب من Watt إصلاح نموذج محرك Newcomen يخص الجامعة. حتى بعد الإصلاح، كان المحرك يعمل بالكاد. بعد تجريب كثير، أثبت Watt أن حوالي ثلاثة أرباع الطاقة الحرارية للبخار كانت تُستهلك في تسخين أسطوانة المحرك في كل دورة. تم إهدار هذه الطاقة لأنه في وقت لاحق من الدورة تم حقن ماء بارد في الأسطوانة لتكثيف البخار لتقليل الضغط. وهكذا بتسخين وتبريد الأسطوانة بشكل متكرر، أهدر المحرك معظم طاقته الحرارية بدلاً من تحويلها إلى طاقة ميكانيكية.
كانت النظرة الحاسمة لـ Watt، التي توصل إليها في مايو 1765، جعل البخار يتكثف في حجرة منفصلة بعيداً عن المكبس، والحفاظ على درجة حرارة الأسطوانة بنفس درجة حرارة البخار المحقون بإحاطتها بـ "سترة بخار." وبالتالي تم امتصاص القليل جداً من الطاقة بواسطة الأسطوانة في كل دورة، مما يجعل المزيد متاحاً للقيام بعمل مفيد. كان لدى Watt نموذج عمل بعد ذلك بقليل من نفس العام.
على الرغم من التصميم الذي قد يكون قابلاً للعمل، كانت هناك صعوبات كبيرة لا تزال قائمة في بناء محرك بحجم كامل. كان هذا يتطلب المزيد من رأس المال، جزء منه جاء من Black. جاء دعم أكثر جوهرية من John Roebuck، مؤسس Carron Iron Works الشهيرة بالقرب من Falkirk، الذي شكل معه الآن شراكة. عاش Roebuck في Kinneil House في Bo'ness، وخلال هذا الوقت عمل Watt على إكمال محرك البخار الخاص به في كوخ مجاور للمنزل. لا يزال قشرة الكوخ وجزء كبير جداً من أحد مشاريعه موجوداً في الخلف.
كانت الصعوبة الرئيسية في تصنيع المكبس والأسطوانة. كان عمال الحديد في ذلك الوقت أشبه بحدادين أكثر من عمال الآلات الحديثين، وكانوا غير قادرين على إنتاج المكونات بدقة كافية. تم إنفاق الكثير من رأس المال في السعي للحصول على براءة اختراع اختراع Watt. في ظل نقص الموارد، أُجبر Watt على تولي عمل—أولاً كمساح، ثم كمهندس مدني—لمدة ثماني سنوات.
أفلس Roebuck، و Matthew Boulton، الذي كان يمتلك أعمال Soho Manufactory بالقرب من Birmingham، حصل على حقوق براءة اختراعه. تم الحصول على امتداد براءة الاختراع حتى عام 1800 بنجاح في عام 1775.
من خلال Boulton، حصل Watt أخيراً على الوصول إلى بعض من أفضل عمال الحديد في العالم. تم حل صعوبة تصنيع أسطوانة كبيرة بمكبس متناسب بإحكام بواسطة John Wilkinson، الذي طوّر تقنيات الحفر الدقيقة لصناعة المدافع في Bersham، بالقرب من Wrexham، Wales الشمالية. شكل Watt و Boulton شراكة ناجحة جداً، Boulton and Watt، استمرت للسنوات الخمس والعشرين التالية.
المحركات الأولى
في عام 1776، تم تثبيت وتشغيل المحركات الأولى في المشاريع التجارية. استُخدمت هذه المحركات الأولى لتشغيل المضخات وأنتجت حركة متبادلة فقط لتحريك قضبان المضخة في أسفل العمود. كان التصميم ناجحاً تجارياً، وللسنوات الخمس التالية كان Watt مشغول جداً بتثبيت المزيد من المحركات، معظمها في Cornwall لضخ الماء من المناجم.
لم يتم تصنيع هذه المحركات المبكرة بواسطة Boulton and Watt، بل تم صنعها من قبل آخرين وفقاً للرسومات التي قام بها Watt، الذي عمل بدور المهندس الاستشاري. تم الإشراف على تشييد المحرك وتصحيحه الأولي بواسطة Watt، في البداية، ثم من قبل الرجال في عمل الشركة. كانت هذه آلات كبيرة. الأولى، على سبيل المثال، كانت لها أسطوانة بقطر حوالي 50 بوصة وارتفاع إجمالي حوالي 24 قدماً، وتتطلب بناء مبنى مخصص لإيواؤها. تقاضت Boulton and Watt دفع
