Ich kann an nichts anderes denken als an diese Maschine.
James Watt war ein schottischer Erfinder, Maschinenbauingenieur und Chemiker, der die Newcomen-Dampfmaschine von 1712 mit seiner Watt-Dampfmaschine von 1776 verbesserte, was grundlegend für die Veränderungen durch die Industrielle Revolution sowohl in seinem Heimatland Großbritannien als auch im Rest der Welt war.
Während seiner Arbeit als Instrumentenmacher an der University of Glasgow interessierte sich Watt für die Technologie von Dampfmaschinen. Er erkannte, dass zeitgenössische Maschinendesigns große Mengen Energie verschwendeten, indem sie den Zylinder wiederholt abkühlten und wieder aufheizten. Watt führte eine Designverbesserung ein, den separaten Kondensator, der diese Energieverschwendung vermied und die Leistung, Effizienz und Kostenwirksamkeit von Dampfmaschinen radikal verbesserte. Schließlich passte er seine Maschine an, um eine Drehbewegung zu erzeugen, was ihre Verwendung weit über das Pumpen von Wasser hinaus erweiterte.
Watt versuchte, seine Erfindung zu vermarkten, hatte aber große finanzielle Schwierigkeiten, bis er 1775 eine Partnerschaft mit Matthew Boulton einging. Das neue Unternehmen Boulton and Watt war schließlich sehr erfolgreich und Watt wurde ein wohlhabender Mann. Im Ruhestand entwickelte Watt weiterhin neue Erfindungen, obwohl keine so bedeutsam war wie seine Dampfmaschinenarbeit.
Er entwickelte das Konzept der Pferdestärke, und die SI-Einheit der Leistung, das Watt, wurde nach ihm benannt.
Frühe Jahre und Bildung
James Watt wurde am 19. Januar 1736 in Greenock, Renfrewshire, geboren, als ältestes von fünf überlebenden Kindern von Agnes Muirhead 1703–1755 und James Watt 1698–1782. Seine Mutter stammte aus einer angesehenen Familie, war gut gebildet und für ihren starken Charakter bekannt, während sein Vater ein Schiffsbauer, Schiffseigner und Unternehmer war und 1751 als Greenocks Oberster Bailie diente. Watts Eltern waren Presbyterianer und überzeugte Covenanters, doch trotz religiöser Erziehung wurde er später ein Deist. Watts Großvater, Thomas Watt 1642–1734, war ein Lehrer für Mathematik, Vermessung und Navigation und Bailie des Baron of Cartsburn.
Anfangs wurde Watt von seiner Mutter zu Hause unterrichtet, später besuchte er die Greenock Grammar School. Dort zeigte er Begabung für Mathematik, während Latein und Griechisch ihn nicht interessierten.
Es wird gesagt, dass er in der Kindheit unter längeren Krankheitsschüben litt und sein ganzes Leben lang unter häufigen Kopfschmerzen.
Nach der Schule arbeitete Watt in den Werkstätten der Geschäfte seines Vaters und zeigte beträchtliche Geschicklichkeit und Geschick beim Erstellen von Ingenieurmodellen. Nachdem sein Vater einige erfolglose Geschäftsunternehmen erlitt, verließ Watt Greenock, um in Glasgow als mathematischer Instrumentenmacher Beschäftigung zu suchen.
Biografie
Mit 18 Jahren starb seine Mutter und die Gesundheit seines Vaters verschlechterte sich. Watt reiste nach London und konnte eine einjährige Ausbildung als Instrumentenmacher erhalten 1755/56, kehrte dann nach Schottland zurück und ließ sich in der großen Handelsstadt Glasgow nieder, mit der Absicht, sein eigenes Instrumentenmachergeschäft zu gründen. Er war noch sehr jung und da er keine vollständige Lehre absolviert hatte, hatte er nicht die üblichen Verbindungen über einen früheren Meister, um sich als Journeyman-Instrumentenmacher zu etablieren.
Watt wurde aus dieser Sackgasse gerettet durch die Ankunft von astronomischen Instrumenten aus Jamaika, die Alexander Macfarlane der University of Glasgow hinterlassen hatte, Instrumente, die fachmännische Betreuung benötigten. Watt brachte sie in Arbeitsordnung zurück und wurde entschädigt. Diese Instrumente wurden schließlich im Macfarlane Observatory installiert. Anschließend boten ihm drei Professoren die Möglichkeit, eine kleine Werkstatt in der Universität einzurichten. Sie wurde 1757 gegründet und zwei der Professoren, der Physiker und Chemiker Joseph Black sowie der berühmte Adam Smith, wurden Watts Freunde.
Anfangs arbeitete er an der Wartung und Reparatur wissenschaftlicher Instrumente, die an der Universität verwendet wurden, half bei Demonstrationen und erweiterte die Produktion von Quadranten. Er fertigte und reparierte messingene Spiegelquadranten, Parallellineale, Maßstäbe, Teile für Teleskope und Barometer, unter anderem.
Es wird manchmal fälschlicherweise behauptet, dass er Schwierigkeiten hatte, sich in Glasgow zu etablieren, weil er auf Widerstand des Trades House stieß, aber dieser Mythos wurde von dem Historiker Lumsden gründlich widerlegt. Die Aufzeichnungen aus diesem Zeitraum sind verloren, aber es ist bekannt, dass er vollständig normal als qualifizierter Metallarbeiter arbeiten und handeln konnte, daher muss die Incorporation of Hammermen zufrieden gewesen sein, dass er ihre Anforderungen für die Mitgliedschaft erfüllte. Es ist auch bekannt, dass andere Menschen im Metallgewerbe bis ins 19. Jahrhundert verfolgt wurden, wenn sie ohne Mitgliedschaft in der Incorporation arbeiteten, daher wurden die Regeln definitiv durchgesetzt, als Watt überall in der Stadt frei handelte.
1759 bildete er eine Partnerschaft mit John Craig, einem Architekten und Geschäftsmann, um eine Reihe von Produkten herzustellen und zu verkaufen, einschließlich Musikinstrumente und Spielzeug. Diese Partnerschaft dauerte die nächsten sechs Jahre und beschäftigte bis zu sechzehn Arbeiter. Craig starb 1765. Ein Mitarbeiter, Alex Gardner, übernahm schließlich das Geschäft, das bis ins zwanzigste Jahrhundert andauerte.
1764 heiratete Watt seine Cousine Margaret Peggy Miller, mit der er fünf Kinder bekam, von denen zwei bis ins Erwachsenenalter lebten: James Jr. 1769–1848 und Margaret 1767–1796. Seine Frau starb 1772 im Kindbett. 1777 heiratete er wieder, Ann MacGregor, die Tochter eines Glasgower Färbers, mit der er zwei Kinder bekam: Gregory 1777–1804, der ein Geologe und Mineraloge wurde, und Janet 1779–1794. Ann starb 1832. Zwischen 1777 und 1790 lebte er in Regent Place, Birmingham.
Watt und der Kessel
Es gibt eine populäre Geschichte, dass Watt inspiriert wurde, die Dampfmaschine zu erfinden, nachdem er einen kochenden Kessel sah, bei dem der Dampf den Deckel hochdrückte und Watt so die Kraft des Dampfes zeigte. Diese Geschichte wird in vielen Formen erzählt; in einigen ist Watt ein junger Junge, in anderen älter, manchmal ist es der Kessel seiner Mutter, manchmal seiner Tante. Watt erfand die Dampfmaschine nicht tatsächlich, wie die Geschichte andeutet, sondern verbesserte die Effizienz der bestehenden Newcomen-Maschine dramatisch, indem er einen separaten Kondensator hinzufügte. Dies ist schwierig jemandem zu erklären, der mit Konzepten von Wärme und thermischer Effizienz nicht vertraut ist. Es scheint, dass die Geschichte möglicherweise von Watts Sohn James Watt Jr. erstellt wurde und fortbesteht, weil sie für Kinder leicht zu verstehen und zu merken ist. In diesem Licht kann es als ähnlich wie die Geschichte von Isaac Newton und dem fallenden Apfel und seiner Entdeckung der Schwerkraft gesehen werden.
Obwohl es oft als Mythos abgetan wird, hat die Geschichte von Watt und dem Kessel eine Grundlage in der Realität. Bei dem Versuch, die Thermodynamik von Wärme und Dampf zu verstehen, führte James Watt viele Laborexperimente durch und seine Tagebücher zeichnen auf, dass er bei diesen Versuchen einen Kessel als Dampferzeuger verwendete.
Frühe Experimente mit Dampf
1759 lenkte Watts Freund John Robison seine Aufmerksamkeit auf die Verwendung von Dampf als Energiequelle. Das Design der Newcomen-Maschine, das fast 50 Jahre lang zum Pumpen von Wasser aus Minen verwendet wurde, hatte sich kaum von seiner ersten Umsetzung verändert. Watt begann mit Dampf zu experimentieren, obwohl er nie eine funktionierende Dampfmaschine gesehen hatte. Er versuchte, ein Modell zu bauen; es funktionierte nicht zufriedenstellend, aber er setzte seine Experimente fort und begann, alles zu lesen, was er über das Thema finden konnte. Er kam zu der Erkenntnis, wie wichtig latente Wärme ist—die Wärmeenergie, die während eines Prozesses mit konstanter Temperatur freigesetzt oder aufgenommen wird—für das Verständnis der Maschine, was, unbekannt für Watt, sein Freund Joseph Black einige Jahre zuvor bereits entdeckt hatte. Das Verständnis der Dampfmaschine befand sich in einem sehr primitiven Zustand, denn die Thermodynamik würde sich fast noch 100 Jahre lang nicht formalisieren.
1763 wurde Watt gebeten, ein Modell einer Newcomen-Maschine der Universität zu reparieren. Auch nach der Reparatur funktionierte die Maschine kaum. Nach vielen Experimenten zeigte Watt, dass etwa drei Viertel der Wärmeenergie des Dampfes in jedem Zyklus zum Heizen des Motorenzylinders verbraucht wurden. Diese Energie wurde verschwendet, weil später im Zyklus kaltes Wasser in den Zylinder gespritzt wurde, um den Dampf zu kondensieren und seinen Druck zu verringern. Durch das wiederholte Heizen und Kühlen des Zylinders verschwendete die Maschine also den größten Teil ihrer Wärmeenergie, anstatt sie in mechanische Energie umzuwandeln.
Watts kritische Einsicht, die er im Mai 1765 gewann, bestand darin, den Dampf in einer separaten Kammer abseits des Kolbens zu kondensieren und die Temperatur des Zylinders auf die gleiche Temperatur wie der eingespritzte Dampf zu halten, indem man ihn mit einer „Dampfjacke" umgab. So wurde in jedem Zyklus sehr wenig Energie vom Zylinder aufgenommen, was mehr Energie zur Verfügung stellte, um nützliche Arbeit zu leisten. Watt hatte später in demselben Jahr ein funktionierendes Modell.
Trotz eines potenziell funktionierenden Designs gab es immer noch erhebliche Schwierigkeiten beim Bau einer vollständigen Maschine. Dies erforderte mehr Kapital, von dem einiges von Black kam. Substanzialere Unterstützung kam von John Roebuck, dem Gründer der berühmten Carron Iron Works in der Nähe von Falkirk, mit dem er jetzt eine Partnerschaft bildete. Roebuck lebte im Kinneil House in Bo'ness, während dieser Zeit arbeitete Watt an der Verbesserung seiner Dampfmaschine in einem Cottage neben dem Haus. Die Schale des Cottage und ein sehr großer Teil eines seiner Projekte existieren immer noch am hinteren Ende.
Die Hauptschwierigkeit lag in der Bearbeitung des Kolbens und Zylinders. Eisenarbeiter der damaligen Zeit waren eher wie Schmiede als moderne Maschinisten und konnten die Komponenten nicht mit ausreichender Präzision herstellen. Viel Kapital wurde darauf verwendet, ein Patent für Watts Erfindung zu erhalten. Da die Ressourcen knapp waren, zwang man Watt, Arbeit aufzunehmen—zuerst als Vermesser, dann als Bauingenieur—für acht Jahre.
Roebuck ging bankrott, und Matthew Boulton, der die Soho Manufactory-Werke in der Nähe von Birmingham besaß, erwarb seine Patentrechte. Eine Verlängerung des Patents bis 1800 wurde 1775 erfolgreich erhalten.
Durch Boulton hatte Watt endlich Zugang zu einigen der besten Eisenarbeiter der Welt. Die Schwierigkeit der Herstellung eines großen Zylinders mit einem eng sitzenden Kolben wurde von John Wilkinson gelöst, der Präzisions-Bohrverfahren zur Kanonenherstellung in Bersham, in der Nähe von Wrexham, Nord-Wales, entwickelt hatte. Watt und Boulton bildeten eine riesig erfolgreiche Partnerschaft, Boulton and Watt, die die nächsten fünfundzwanzig Jahre andauerte.
Erste Maschinen
1776 wurden die ersten Maschinen installiert und in kommerziellen Unternehmen in Betrieb genommen. Diese ersten Maschinen wurden verwendet, um Pumpen anzutreiben und erzeugten nur wechselseitige Bewegungen, um die Pumpenstangen am Boden der Schachts zu bewegen. Das Design war kommerziell erfolgreich, und in den nächsten fünf Jahren war Watt sehr beschäftigt mit der Installation weiterer Maschinen, hauptsächlich in Cornwall zum Pumpen von Wasser aus Minen.
Diese frühen Maschinen wurden nicht von Boulton and Watt hergestellt, sondern von anderen nach Zeichnungen von Watt angefertigt, der in der Rolle eines beratenden Ingenieurs diente. Die Errichtung der Maschine und ihre Erprobung wurde zunächst von Watt überwacht, später von Männern in der Anstellung der Firma. Dies waren große Maschinen. Die erste zum Beispiel hatte einen Zylinder mit einem Durchmesser von etwa 50 Zoll und einer Gesamthöhe von etwa 24 Fuß und erforderte die Konstruktion eines dedizierten Gebäudes, um sie zu beherbergen. Boulton and Watt verlangten eine jährliche Zahlung, die einem Drittel des Wertes der eingesparten Kohle im Vergleich zu einer Newcomen-Maschine, die die gleiche Arbeit verrichtet, entsprach.
Das Anwendungsgebiet für die Erfindung wurde stark erweitert, als Boulton Watt drängte, die wechselseitige Bewegung des Kolbens in Rotationskraft zum Mahlen, Weben und Fräsen umzuwandeln. Obwohl eine Kurbel die offensichtliche Lösung für die Umwandlung zu sein schien, wurden Watt und Boulton durch ein Patent für diese gehemmt, dessen Inhaber James Pickard und Mitarbeiter eine gegenseitige Lizenzierung des externen Kondensators vorschlugen. Watt lehnte dies entschieden ab und sie umgingen das Patent durch ihr sun and planet gear 1781.
In den nächsten sechs Jahren führte er eine Reihe weiterer Verbesserungen und Änderungen an der Dampfmaschine durch. Eine Doppelwirkungsmaschine, bei der der Dampf abwechselnd auf beiden Seiten des Kolbens wirkte, war eine davon. Er beschrieb Methoden zum Arbeiten mit Dampf „expansiv", d. h. unter Verwendung von Dampf mit Drücken weit über dem atmosphärischen Druck. Eine Verbundmaschine, die zwei oder mehr Maschinen miteinander verbindet, wurde beschrieben. Zwei weitere Patente wurden dafür 1781 und 1782 erteilt. Zahlreiche weitere Verbesserungen, die die Herstellung und Installation vereinfachten, wurden kontinuierlich umgesetzt. Eine dieser Verbesserungen war die Verwendung des Dampfindiators, der ein informatives Diagramm des Drucks im Zylinder gegen
