Я не могу думать ни о чём, кроме этой машины.
James Watt был шотландским изобретателем, механическим инженером и химиком, который улучшил паровой двигатель Thomas Newcomen 1712 года своим паровым двигателем Watt в 1776 году, что было основополагающим для изменений, вызванных Промышленной революцией как в его родной Great Britain, так и в остальном мире.
Работая мастером приборов в University of Glasgow, Watt заинтересовался технологией паровых двигателей. Он понял, что современные конструкции двигателей тратили много энергии на многократное охлаждение и нагревание цилиндра. Watt ввёл усовершенствование конструкции — отдельный конденсатор, который избежал этого расхода энергии и радикально улучшил мощность, эффективность и экономичность паровых двигателей. В конце концов он адаптировал свой двигатель для производства вращательного движения, что значительно расширило его применение за пределы откачки воды.
Watt попытался коммерциализировать своё изобретение, но столкнулся с большими финансовыми трудностями, пока не вступил в партнёрство с Matthew Boulton в 1775 году. Новая фирма Boulton and Watt в конечном итоге добилась большого успеха, и Watt стал состоятельным человеком. На пенсии Watt продолжал разрабатывать новые изобретения, хотя ни одно из них не было столь значительным, как его работа над паровым двигателем.
Он разработал концепцию лошадиной силы, и единица мощности СИ, ватт, была названа в его честь.
Ранняя жизнь и образование
James Watt родился 19 января 1736 года в Greenock, Renfrewshire, старший из пяти выживших детей Agnes Muirhead 1703–1755 и James Watt 1698–1782. Его мать происходила из знатной семьи, была образована и славилась твёрдым характером, в то время как его отец был корабельным мастером, судовладельцем и подрядчиком, а также служил главным балли Greenock в 1751 году. Родители Watts были пресвитерианами и горячими коvenantors, однако, несмотря на религиозное воспитание, он позже стал деистом. Дед Watt, Thomas Watt 1642–1734, был преподавателем математики, геодезии и навигации и балли Baron of Cartsburn.
Первоначально Watt обучался дома у своей матери, позже поступил в Greenock Grammar School. Там он проявил способность к математике, в то время как латынь и греческий язык его не интересовали.
Говорят, что он страдал продолжительными приступами болезней в детстве и часто имел головные боли всю жизнь.
После школы Watt работал в мастерских своего отца, демонстрируя значительную ловкость и мастерство в создании инженерных моделей. После того как отец столкнулся с неудачными коммерческими предприятиями, Watt покинул Greenock в поисках работы в Glasgow в качестве мастера математических приборов.
Биография
Когда ему было 18 лет, умерла его мать и здоровье отца начало ухудшаться. Watt отправился в London и смог пройти годичное обучение в качестве мастера приборов в 1755/56 году, затем вернулся в Scotland, поселившись в крупном торговом городе Glasgow с намерением открыть собственное предприятие по изготовлению приборов. Он был ещё очень молод и, не пройдя полного ученичества, не имел обычных связей через бывшего мастера, чтобы утвердиться в качестве подмастерья-мастера приборов.
Watt был спасён от этого затруднения прибытием из Jamaica астрономических приборов, завещанных Alexander Macfarlane, в University of Glasgow — приборов, требовавших экспертного внимания. Watt восстановил их в рабочее состояние и получил вознаграждение. Эти приборы в конце концов были установлены в Macfarlane Observatory. Впоследствии три профессора предложили ему возможность открыть небольшую мастерскую внутри университета. Она была открыта в 1757 году, и двое из профессоров, физик и химик Joseph Black, а также известный Adam Smith, стали друзьями Watt.
Сначала он работал над обслуживанием и ремонтом научных приборов, используемых в университете, помогал с демонстрациями и расширял производство квадрантов. Он изготавливал и ремонтировал латунные отражающие квадранты, параллельные линейки, масштабы, детали для телескопов и барометры, среди прочего.
Иногда ошибочно утверждается, что он с трудом утвердился в Glasgow из-за противодействия Trades House, но этот миф был тщательно развенчан историком Lumsden. Документы из этого периода утеряны, но известно, что он мог работать и вести торговлю совершенно нормально как квалифицированный металлург, поэтому Incorporation of Hammermen должна была убедиться, что он соответствовал их требованиям к членству. Также известно, что другие люди в металлических ремеслах преследовались за работу без членства в Incorporation вплоть до 19-го века, поэтому правила определённо применялись, когда Watt свободно торговал по всему городу.
В 1759 году он образовал партнёрство с John Craig, архитектором и бизнесменом, для производства и продажи продукции, включая музыкальные инструменты и игрушки. Это партнёрство продолжалось в течение следующих шести лет и занимало до шестнадцати рабочих. Craig умер в 1765 году. Один из сотрудников, Alex Gardner, в конце концов взял на себя бизнес, который просуществовал до двадцатого века.
В 1764 году Watt женился на своей кузине Margaret Peggy Miller, с которой у него было пятеро детей, двое из которых дожили до взрослого возраста: James Jr. 1769–1848 и Margaret 1767–1796. Его жена умерла при родах в 1772 году. В 1777 году он снова женился на Ann MacGregor, дочери Glasgow красильщика, с которой у него было двое детей: Gregory 1777–1804, который стал геологом и минералогом, и Janet 1779–1794. Ann умерла в 1832 году. Между 1777 и 1790 годами он жил на Regent Place, Birmingham.
Watt и чайник
Есть известная история о том, что Watt вдохновлен изобрести паровой двигатель, увидев кипящий чайник, пар заставляющий крышку подняться и таким образом показывающий Watt мощь пара. Эта история рассказывается во многих формах; в некоторых Watt — молодой парень, в других — постарше, иногда это чайник его матери, иногда — его тёти. Watt не изобретал паровой двигатель, как подразумевает история, а радикально улучшил эффективность существующего двигателя Newcomen, добавив отдельный конденсатор. Это сложно объяснить тому, кто не знаком с концепциями тепла и термической эффективности. Кажется, что история была создана, возможно, сыном Watt James Watt Jr., и persists, потому что её легко понять и запомнить детям. В этом свете её можно рассматривать как аналогичную истории о Isaac Newton и падающем яблоке и его открытии гравитации.
Хотя это часто отвергается как миф, история о Watt и чайнике имеет основу в фактах. Пытаясь понять термодинамику тепла и пара, James Watt провёл много лабораторных экспериментов, и его дневники показывают, что при проведении этих экспериментов он использовал чайник в качестве котла для генерации пара.
Ранние эксперименты с паром
В 1759 году друг Watt, John Robison, обратил его внимание на использование пара как источника движущей силы. Конструкция двигателя Newcomen, использовавшаяся почти 50 лет для откачки воды из шахт, практически не изменилась с момента её первого внедрения. Watt начал экспериментировать с паром, хотя он никогда не видел работающий паровой двигатель. Он попытался построить модель; она не работала удовлетворительно, но он продолжил свои эксперименты и начал читать всё, что мог, по этому предмету. Он пришёл к пониманию важности скрытого тепла — тепловой энергии, выделяемой или поглощаемой во время процесса с постоянной температурой — в понимании двигателя, что неизвестно было Watt, его друг Joseph Black ранее открыл несколько лет назад. Понимание парового двигателя находилось в очень примитивном состоянии, так как наука о термодинамике не будет формализована ещё почти на 100 лет.
В 1763 году Watt был попрошен отремонтировать модель двигателя Newcomen, принадлежащую университету. Даже после ремонта двигатель едва работал. После большого количества экспериментов, Watt продемонстрировал, что около трёх четвертей тепловой энергии пара расходовалось на нагревание цилиндра двигателя на каждом цикле. Эта энергия была потрачена впустую, потому что позже в цикле холодная вода впрыскивалась в цилиндр для конденсации пара, чтобы снизить его давление. Таким образом, многократно нагревая и охлаждая цилиндр, двигатель тратил впустую большую часть своей тепловой энергии, а не преобразовывал её в механическую энергию.
Критическое озарение Watt, достигнутое в мае 1765 года, заключалось в том, чтобы вызвать конденсацию пара в отдельной камере в стороне от поршня и поддерживать температуру цилиндра на одной температуре с впрыскиваемым паром, окружив его "паровой рубашкой". Таким образом, на каждом цикле в цилиндр поглощалось очень мало энергии, оставляя больше энергии для выполнения полезной работы. Watt имел работающую модель позже в том же году.
Несмотря на потенциально жизнеспособную конструкцию, при конструировании полномасштабного двигателя всё ещё оставались существенные трудности. Это требовало больше капитала, часть которого поступила от Black. Более существенную поддержку оказал John Roebuck, основатель известного Carron Iron Works неподалёку от Falkirk, с которым он теперь образовал партнёрство. Roebuck жил в Kinneil House в Bo'ness, во время чего Watt работал над совершенствованием своего паровой двигателя в коттедже, примыкающем к дому. Оболочка коттеджа и очень большая часть одного из его проектов всё ещё существуют сзади.
Главная трудность заключалась в обработке поршня и цилиндра. Железных дел мастера того времени были больше похожи на кузнецов, чем на современных машинистов, и были неспособны производить компоненты с достаточной точностью. Много капитала было потрачено на получение патента на изобретение Watt. Испытывая нехватку ресурсов, Watt был вынужден искать работу — сначала геодезистом, затем гражданским инженером — в течение восьми лет.
Roebuck обанкротился, и Matthew Boulton, владевший Soho Manufactory неподалёку от Birmingham, приобрёл его права патента. Продление патента до 1800 года было успешно получено в 1775 году.
Благодаря Boulton, Watt наконец получил доступ к одним из лучших железных дел мастеров в мире. Трудность при производстве большого цилиндра с плотно подходящим поршнем была решена John Wilkinson, который разработал техники прецизионного сверления для изготовления пушек в Bersham, неподалёку от Wrexham, North Wales. Watt и Boulton образовали чрезвычайно успешное партнёрство, Boulton and Watt, которое продолжалось в течение следующих двадцати пяти лет.
Первые двигатели
В 1776 году первые двигатели были установлены и работали в коммерческих предприятиях. Эти первые двигатели использовались для привода насосов и производили только возвратно-поступательное движение для перемещения стержней насоса на дне вала. Дизайн был коммерчески успешным, и в течение следующих пяти лет Watt был очень занят установкой дополнительных двигателей, в основном в Cornwall для откачки воды из шахт.
Эти ранние двигатели не производились компанией Boulton and Watt, а изготавливались другими в соответствии с чертежами, сделанными Watt, который служил в роли консультирующего инженера. Установка двигателя и его наладка первоначально контролировались Watt, а затем людьми, нанятыми фирмой. Это были большие машины. Первая, например, имела цилиндр диаметром примерно 50 дюймов и общей высотой примерно 24 фута и требовала строительства специального здания для её размещения. Boulton and Watt взимали годовой платёж, равный одной трети стоимости угля, сэкономленного по сравнению с двигателем Newcomen, выполняющим ту же работу.
Область применения изобретения была значительно расширена, когда Boulton побудил Watt преобразовать возвратно-поступательное движение поршня для получения ротационной мощности для шлифовки, ткачества и помола. Хотя кривошип казался очевидным решением для преобразования, Watt и Boulton были затруднены патентом на это, чей держатель, James Pickard, и его партнёры предложили перекрёстное лицензирование внешнего конденсатора. Watt категорически возражал против этого, и они обошли патент своей шестерёнкой "солнце и планета" в 1781 году.
В течение следующих шести лет он внес ряд других улучшений и модификаций парового двигателя. Одним из них был двойного действия двигатель, в котором пар действовал поочередно на обе стороны поршня. Он описал методы работы пара "экспансивно", то есть используя пар при давлении намного выше атмосферного. Был описан составной двигатель, который соединял два или более двигателей. Два дополнительных патента были выданы за эти в 1781 и 1782 годах. Многочисленные другие улучшения, облегчившие производство и установку, постоянно внедрялись. Одним из них было использование паровой диаграммы, которая создавала информативный график давления в цилиндре против
