Biografi om James Watt, uppfinnare av den moderna ångmotorn

James Watt (19 januari 1736-25 augusti 1819) var en skotsk uppfinnare, ingenjör och kemist. Han utvecklade en användbar ångmotor som använde en separat kondensor; denna innovation gjorde ångmotorn till ett användbart verktyg för ett stort antal användningsområden. På många sätt var Watts uppfinning - eller snarare hans förbättring av en tidigare uppfinning, Newcomen ångmotor - den tekniska drivkraften bakom den industriella revolutionen.

Snabbfakta: James Watt

• Känd för: Uppfinning av ångmotorn
• Född: 19 januari 1736 i Greenock, Renfrewshire, Skottland, Storbritannien
• Föräldrar: Thomas Watt, Agnes Muirhead
• död: 25 augusti 1819 i Handsworth, Birmingham, England, Storbritannien
• Utbildning: Hemutbildad
• Publicerad Works: Ett system för mekanisk filosofi
• Pris och ära: Många gator och skolor bär hans namn; statyer av hans likhet i Picadilly Gardens och St. Paul's Cathedral
• Makar): Margaret (Peggy) Miller, Ann MacGregor
• Barn: James Jr., Margaret, Gregory, Janet, Ann
• Noterbar citat: "Jag hade gått en promenad på en fin sabbatseftermiddag. Jag hade gått in i Green vid grinden vid foten av Charlotte Street och hade passerat det gamla tvätthuset. Jag tänkte på motorn vid den tiden och hade gått så långt som till hjordens hus, när idén kom in i mitt sinne ... Jag hade inte gått längre än Golfhuset när det hela var ordnat i mitt sinne. "

Tidigt liv

James Watt föddes den 19 januari 1736 i Greenock, Skottland, som det enda överlevande barnet av fyra av James Watt (1699-1737) och Agnes Muirhead (1901-1754). Greenock var en fiskeby som under Watts livstid blev en upptagen stad med en flotta ångfartyg. James Jrs farfar Thomas Watt (1642-1734) var en välkänd matematiker och lokal skolmästare. James Sr var en framstående medborgare i Greenock och en framgångsrik snickare och skeppshandlare som arbetade på att passa utrustning och arbeta med sina instrument, kompasser och kvadranter. Vid olika tillfällen var James Sr. också stadens högsta magistrat och kassör.

Utbildning

James Watt var intelligent, men på grund av dålig hälsa kunde han inte gå i skolan regelbundet. Istället fick han de färdigheter han senare skulle behöva inom teknik och verktyg genom att arbeta med sin far på snickeriprojekt. Vid 6 års ålder lade James Watt geometriska problem och genomförde sin tidigaste undersökning av ångarnas natur, vilket innebar att man experimenterade med sin mors te-vattenkokare. I pojkeåldern var Watt en ivrig läsare och fann något som skulle intressera honom i varje bok som kom i hans händer.

När Watt äntligen skickades till byskolan, förhindrade hans ohälsa snabba framsteg; det var först när han var 13 eller 14 att han började visa sina förmågor, särskilt i matematik. Hans fritid tillbringade han med att skissa med sin penna, snida och arbeta på verktygsbänken med trä och metall. Han gjorde många geniala mekaniska verk och några vackra modeller och gillade att reparera nautiska instrument.

Lärlingstid

Efter att hans mor dog 1754 skickades den 18-åriga Watt till Glasgow för att träna som köpman med sin farbror John Muirhead. En av hans mors släktingar var ordförande för avdelningen för orientaliska språk och humaniora vid Glasgow College, och Watt blev medlem i det litterära samhället där. Han träffade också andra forskare i Glasgow som skulle visa sig inflytelserika och stödjande för sin karriär: Robert Dick, professor i naturfilosofi, Robert Simpson i matematik och William Cullen i medicin och kemi.

Det var Dick som föreslog att Watt skulle åka till London för att få utbildning som matematikinstrumenttillverkare. Med ett introduktionsbrev lämnade Watt till London 1755 och började arbeta med instrumenttillverkaren John Morgan. Watt var inte officiellt en lärling, men han arbetade med mekanisk instrumentering: Morgan tyckte att han var begåvad men tog för lång tid att slutföra sitt arbete. Jobbet med Morgan slutade i juni 1756 och Dick fick honom en kortvarig position för att arbeta på en astronomisk klocka, reflekterande teleskop och transitinstrument. Watt återvände till Greenock i slutet av året, men han gick snart tillbaka till Glasgow där han började ett litet företag i kvadranttillverkning. Han utsågs till matematisk instrumenttillverkare vid Glasgow College, med stöd av Dicks ersättare John Anderson och av Cullens ersättare och kemist Joseph Black (1728-1799). Black är mest känd för sitt arbete med latenta och specifika värmer och för sin upptäckt av koldioxid, och han skulle bli en ständig anhängare av Watt.

Tidig experiment

1759 visade John Robison, en student vid Glasgow, Watt en modell av Newcomen ångmotor och föreslog att den skulle kunna användas för att driva vagnar. Newcomen uppfanns och patenterades 1703 av Thomas Newcomen (1664-1729), och Watt började bygga miniatyrmodeller med hjälp av tunna ångcylindrar och kolvar fästa till drivhjulen med ett system med växlar. I sina egna experiment använde han först apotekars försök och ihåliga käppar för ångbehållare och rör, och senare en Papins kokare och en vanlig spruta. Den senare kombinationen gjorde en icke-kondenserande motor, i vilken han använde ånga med ett tryck av 15 pund per kvadrat tum. Ventilen arbetades för hand, och James Watt såg att en automatisk ventilväxel behövdes för att göra en fungerande maskin. Detta experiment ledde dock till inget praktiskt resultat och under de kommande åren övergav han denna forskning.

Watt stannade på högskolan fram till 1760-talet, då han ingick ett partnerskap med en köpman vid namn John Craig, delvis finansierad med Black. Ett sådant företag producerade alkali från salt - på 1700-talet kunde alkali endast produceras från växter. Craig och Watt var en av flera människor som letade efter ett sätt att skapa det kemiskt, en ansträngning som inte uppnåddes förrän 1820. Watt och Craig arbetade också på keramikugnar och glasyr för att tillverka tennglasad delftware.

Äktenskap och familj

1764 gifte sig Watt med Margaret Millar, känd som Peggy, en kusin som han hade känt sedan de var barn. De skulle ha fem barn, varav endast två levde till vuxen ålder: Margaret, född 1767, och James III, född 1769, som som vuxen skulle bli hans fars främsta stöd och affärspartner.

The Newcomen Steam Engine

Under vintern 1763-1764 bad John Anderson i Glasgow Watt att reparera en modell av Newcomen-motorn. Han kunde få den igång, men han var nyfiken på varför maskinen konsumerade så mycket ånga och kondensvatten. Watts började studera ångmotorns historia och genomförde experimentell forskning om egenskaperna hos ånga.

Newcomen-ångmotormodellen hade en panna som var avsedd att skala och var oförmögen att tillhandahålla tillräckligt med ånga för att driva en motor. Det var ungefär nio tum i diameter; ångcylindern var två tum i diameter och hade en sex tum kolvslag. Watt tillverkade en ny panna som kunde mäta mängden vatten som förångades och ångan kondenseras vid varje slag av motorn.

Watt upptäckte snart att motorn krävde en mycket liten mängd ånga för att värma en mycket stor mängd vatten. Han började omedelbart med precision bestämma de relativa vikterna av ånga och vatten i ångcylindern när kondensation ägde rum vid motorns nedslag. James Watt bevisade oberoende förekomsten av "latent värme", som hade upptäckts av hans mentor och supporter Joseph Black. Watt gick till Black med sin forskning som delade sin kunskap med Watt. Watt fann att kondensångan vid kokpunkten kunde värma sex gånger sin vikt av vatten som användes för att producera kondens.

Watts separata kondensator

Insåg att ångvikt för vikt var en mycket större absorberande och behållare av värme än vatten, såg Watt vikten av att ta större noggrannhet för att ekonomisera den än tidigare hade försökt. Först ekonomiserade han i pannan och tillverkade pannor med träskal för att förhindra förluster genom ledning och strålning. Han använde också ett större antal vätskor än Newcomen var tvungen att säkerställa en mer fullständig absorption av värmen från ugnsgaserna. Han täckte också sina ångrör med icke-ledande material och tog alla försiktighetsåtgärder för att säkerställa fullständigt utnyttjande av förbränningsvärmen.

Han upptäckte snart att källorna till värmeförlust i Newcomen-motorn var:

• Värmeavledningen från själva cylindern, som var av mässing och var både en bra ledare och en god radiator.
• Värmeförlusten till följd av nödvändigheten av att kyla ner cylindern vid varje slag vid framställning av vakuumet.
• Kraftförlust på grund av ångtrycket under kolven, vilket var en följd av den ofullkomliga metoden för kondensation.

Hans första försök till en cylinder av icke-ledande material var gjord av-trä blöt i olja och sedan bakat, vilket ökade ångan ekonomi. Han genomförde sedan en serie mycket exakta experiment på ångens temperatur och tryck genom att mäta mängden ånga som användes vid varje slag av motorn. Han kunde bekräfta sin tidigare slutsats att tre fjärdedelar av värmen som tillförts motorn slösades bort.

Ytterligare förbättringar

Efter sina vetenskapliga undersökningar arbetade James Watt med att förbättra ångmotorn med en intelligent förståelse av dess befintliga defekter och kunskap om deras sak. Watt såg snart att för att minska förlusten vid drift av ångan i ångcylindern skulle det vara nödvändigt att hitta ett sätt att ständigt hålla cylindern lika varm som ångan som kom in i den.

Enligt James Watt: "Idén kom in i mitt sinne att eftersom ånga var en elastisk kropp, skulle den rusa in i ett vakuum, och om en kommunikation gjordes mellan cylindern och ett utmattat kärl, skulle det rusa in i det, och kan vara där kondenserad utan att kyla cylindern. Jag såg sedan att jag måste bli av med kondenserad ånga och injektionsvatten om jag använde en stråle, som i Newcomens motor. Två sätt att göra detta hände mig: För det första kan vattnet vara kör av med ett fallande rör, om en avstrålare kunde fås på djupet 35 eller 36 fot, och all luft kan extraheras med en liten pump. Den andra var att göra pumpen stor nog för att extrahera både vatten och luft ".

Han fortsatte, "När den analyserades skulle uppfinningen inte verka så stor som den tycktes vara. I det tillstånd där jag hittade ångmotorn var det ingen stor ansträngning att se att den mängd bränsle som behövs för att få den att fungera skulle för evigt förhindra dess omfattande användbarhet. Nästa steg i mina framsteg var lika lätt att fråga vad som var orsaken till den stora bränsleförbrukningen. Även detta föreslogs lätt, nämligen avfallet av bränsle som var nödvändigt för att få hela cylindern, kolven och angränsande delar från kallt vatten till ångan, inte mindre än 15 till 20 gånger på en minut. "

James Watt hade uppfunnit sin helt viktiga separata kondensor. Han fortsatte med att göra ett experimentellt test av sin nya uppfinning. Hans lilla modell fungerade mycket bra, och vakuumets perfektion var sådan att maskinen lyfte en vikt på 18 kilo hängande från kolvstången. Han konstruerade sedan en större modell, och resultatet av dess test bekräftade resultaten från hans första experiment.

Watt bygger sin egen ångmotor

Det tog flera år för Watt att ta reda på detaljerna i den nya ångmotorn. Till att börja med var Watt tvungen att hitta ett sätt att förhindra att kondensorn fylls med vatten. Han försökte flera tillvägagångssätt, inklusive en luftpump, som avlastade kondensorn för vattnet och luften som samlades in i kondensorn och minskade vakuumet. Därefter ersatte han olja och talg med vattnet som användes för att smörja kolven, hålla ångan tät och förhindra kylning av cylindern. En annan orsak till kylning av cylindern och följaktligen slöseri med kraft i dess drift var inloppet av luft, som följde kolven ner i cylindern vid varje slag och kylde dess inre genom sin kontakt. Uppfinnaren förhindrade att detta inträffade genom att täcka cylinderns topp och omge hela cylindern med ett yttre hölje, eller "ångmantel", som gjorde att ångan från pannan passerade runt ångcylindern och tryck på den övre ytan av kolv.

Efter att ha byggt sin större experimentella motor hyrde Watt ett rum i en gammal öde stuga. Där arbetade han med mekanikern Folm Gardiner. Watt hade just träffat John Roebuck, en förmögen läkare, som tillsammans med andra skotska kapitalister nyligen grundade det berömda Carron Iron Works. Roebuck började stödja Wats ansträngningar ekonomiskt och Watt skrev ofta till Roebuck och beskrev hans framsteg.

I augusti 1765 försökte han den lilla motorn och skrev Roebuck att han hade "god framgång", även om maskinen var mycket ofullkomlig och informerade Roebuck att han började göra den större modellen. I oktober 1765 slutade han den stora ångmotorn. Motorn var fortfarande långt ifrån perfekt, medan den var klar för provning. Det gjorde ändå bra arbete för en sådan rå maskin.

Ekonomiska och personliga bakslag

Tyvärr reducerades James Watt år 1765 till fattigdom, och efter att ha lånat avsevärda summor från vänner fick han äntligen söka arbete för att försörja sin familj. Under en tidsperiod på cirka två år stödde han sig själv som civilingenjör, undersökte och hanterade byggandet av flera kanaler i Skottland och utforskade kolfält i stadsdelens Glasgow-grannskap. Han gav dock inte helt upp sin uppfinning.

År 1767 övertog Roebuck Wats skulder till ett belopp av 1 000 brittiska pund och gick med på att tillhandahålla mer kapital i utbyte mot två tredjedelar av Watts patent. En annan motor byggdes med en ångcylinder med en diameter på sju eller åtta tum, som var färdig 1768. Detta fungerade tillräckligt bra för att få parterna att begära patent, och specifikationerna och ritningarna slutfördes och presenterades 1769.

Watt byggde också upp flera Newcomen-motorer, delvis kanske för att göra sig mer förtrogen med de praktiska detaljerna i motorbyggnaden. Under tiden beredde han planer för och byggde en måttligt stor motor av sin egen nya typ. Dess ångcylinder var 18 tum i diameter och kolvens slag var 5 fot. Denna motor byggdes vid Kinneil och var klar i september 1769. Den var inte alla tillfredsställande varken dess konstruktion eller dess drift. Kondensorn var en ytkondensor sammansatt av rör som var ungefär de som användes i hans första lilla modell och visade sig inte vara tillfredsställande täta. Ångkolven läckte allvarligt, och upprepade försök tjänade bara till att göra dess brister mer tydliga. Han fick hjälp med ekonomiskt och moraliskt stöd av både Joseph Black och John Roebuck, men han kände starkt på de risker han sprang för att involvera sina vänner i allvarliga förluster och blev mycket förtvivlad.

Watt skrev till Black och sa: "Av alla saker i livet finns det inget mer dumt än att uppfinna; och förmodligen har majoriteten av uppfinnarna blivit ledda till samma åsikt av sina egna erfarenheter."

Partnerskap med Matthew Boulton

1768 reste James Watt till London för att få sitt patent inlämnat, och på vägen träffade han Matthew Boulton. Boulton var ägare till ett Birmingham-tillverkningsföretag känt som Soho Manufactory, som tillverkade små metallvaror. Han hade ärvt sin fars verksamhet och byggt upp det avsevärt. Han och hans verksamhet var mycket välkända i mitten av 1700-talets engelska upplysningsrörelse.

Boulton var en bra forskare, med en betydande kunskap om språk och naturvetenskap - särskilt matematik - trots att han hade lämnat skolan som pojke för att jobba i sin fars butik. I butiken introducerade han snart ett antal värdefulla förbättringar och han var alltid på jakt efter andra idéer som kan introduceras i hans verksamhet.

Han var också medlem av det berömda Lunar Society of Birmingham, en grupp män som träffades för att diskutera naturfilosofi, teknik och industriell utveckling tillsammans: andra medlemmar inkluderade syreupptäckaren Joseph Priestley, Erasmus Darwin (farfar till Charles Darwin), och den experimentella krukmakaren Josiah Wedgewood. Watt gick med i gruppen efter att han blev Boultons partner.

En flamboyant och energisk forskare, Boulton gjorde bekant med Benjamin Franklin 1758, som sedan besökte Soho. År 1766 motsvarade dessa utmärkta män och diskuterade bland annat ångkraften till olika användbara ändamål. De designade en ny ångmotor och Boulton byggde en modell som skickades till Franklin och ställdes ut av honom i London. De hade ännu inte blivit medvetna om existensen av James Watt.

När Boulton träffade Watt 1768 gillade han sin motor och beslutade att köpa ett intresse för patentet. Med Roebucks samtycke erbjöd Watt Boulton ett tredjedels intresse. Även om det fanns flera komplikationer, föreslog Roebuck så småningom att överföra hälften av sitt innehav till Matthew Boulton i Watt uppfinningar för summan 1 000 pund. Detta förslag godtogs i november 1769.

Arbetande ångmotorer

I november 1774 meddelade Watt äntligen till sin gamla partner Roebuck att han hade gjort en framgångsrik rättegång på Kilmeil-motorn. Han skrev inte med sin vanliga entusiasm och extravagans; istället skrev han helt enkelt: "Brandmotorn jag har uppfunnit går nu och svarar mycket bättre än någon annan som ännu har gjorts, och jag förväntar mig att uppfinningen kommer att vara mycket fördelaktigt för mig."

En anledning till hans brist på entusiasm var att hans fru hade dött under förlossningen året innan, i september 1773. Heartsick, Watt begravde sig själv i arbetet. Från mitten av februari 1774 arbetade han med termometrar och barometrar. Han avslutade sin anläggningsverksamhet i Skottland (delvis på grund av en finansiell kris i Skottland) och i maj reste han söderut till Birmingham, där han gick med i Lunar Society. 1775 gick han in i ett heltidssamarbete med Matthew Boulton.

Från denna punkt framåt kunde företaget Boulton och Watt producera en rad arbetsmotorer med verkliga applikationer. Nya innovationer och patent togs ut för maskiner som kunde användas för slipning, vävning och fräsning. Ångmotorer togs i bruk för transport på både land och vatten. Nästan varje framgångsrik och viktig uppfinning som markerade ångkrafts historia under många år har sitt ursprung i verkstäderna i Boulton och Watt.

Pensionering och död

Watts arbete med Boulton förvandlade honom till en figur av internationell status bland bokstavsmän. Hans 25-åriga patent gav honom rikedom; och han och Boulton blev ledare inom teknisk upplysning i England, med ett gott rykte för innovativ teknik. Watt gifte sig med Ann Macgregor 1776 och de hade två barn (Gregory och Jessy), som båda skulle dö unga. James Watt Jr., hans son från sin första fru, överlevde sin far och fortsatte att ha en roll i den fortsatta engelska upplysningen.

Som ett resultat av hans partnerskap med Matthew Boulton blev James Watt en mycket rik man och byggde en elegant herrgård känd som "Heathfield House" i Handsworth, Staffordshire. Han gick i pension år 1800 och tillbringade resten av livet i fritid och resa för att besöka vänner och familj. Han dog den 25 augusti 1819 på Heathfield. Han begravdes på kyrkogården i St Mary's Church i Handsworth.

Arv

På ett mycket meningsfullt sätt spottade Watts uppfinningar om den industriella revolutionen och innovationerna i modern tid, allt från bilar och tåg till fabriker och de sociala frågor som utvecklades som ett resultat. Dessutom har Watts namn kopplats till gator, museer och skolor. Hans berättelse har inspirerat böcker, filmer och konstverk, inklusive statyer i Piccadilly Gardens och St. Paul's Cathedral.

På statyn vid St. Pauls är graverade orden: "James Watt ... utvidgade resurserna i sitt land, ökade människans makt och steg till en framstående plats bland de mest berömda forskarna och världens verkliga välgörare. "

källor

• Jones, Peter M. "Leva upplysningen och den franska revolutionen: James Watt, Matthew Boulton och deras söner." The Historical Journal 42.1 (1999): 157-82. Skriva ut.
• Hills, Richard L. "Power from Steam: A History of the Stationary Steam Engine." Cambridge: Cambridge University Press, 1993.
• Miller, David Philip. "'Puffing Jamie': Den kommersiella och ideologiska betydelsen av att vara en 'filosof' när det gäller rykte om James Watt (1736-1819)." Science of Science 38.1 (2000): 1-24. Skriva ut.
• "The Life and Legend of James Watt: Samarbete, naturfilosofi och förbättring av ångmotorn." Pittsburgh: University of Pittsburgh Press, 2019. 
• Pugh, Jennifer S. och John Hudson. "The Chemical Work of James Watt, F.R.S." Anteckningar och register från Royal Society of London 40.1 (1985): 41-52. Skriva ut.
• Russell, Ben. "James Watt: Making the World New." London: Science Museum, 2014. 
• Wright, Michael. "James Watt: Musical Instrument Maker." The Galpin Society Journal 55 (2002): 104-29. Skriva ut.