Biografie van James Watt, Modern Steam Engine Inventor

James Watt (19 januari 1736 - 25 augustus 1819) was een Schotse uitvinder, ingenieur en scheikundige. Hij ontwikkelde een werkbare stoommachine die een afzonderlijke condensor gebruikte; Door deze innovatie was de stoommachine een nuttig hulpmiddel voor een groot aantal toepassingen. In veel opzichten was Watts uitvinding - of beter gezegd, zijn verbetering ten opzichte van een eerdere uitvinding, de Newcomen-stoommachine - de technologische aanzet achter de Industriële revolutie.

Snelle feiten: James Watt

James Watt werd geboren op 19 januari 1736 in Greenock, Schotland, als het enig overgebleven kind van vier van James Watt (1699–1737) en Agnes Muirhead (1901–1754). Greenock was een vissersdorp dat tijdens het leven van Watt een drukke stad werd met een vloot van stoomschepen. De grootvader van James Jr., Thomas Watt (1642–1734) was een bekende wiskundige en plaatselijke schoolmeester. James Sr. was een prominente burger van Greenock en een succesvolle timmerman en scheepsbevoorrader die werkte aan het afbouwen van schepen en het werken aan hun instrumenten, kompassen en kwadranten. James Sr. was op verschillende momenten ook de hoofdmagistraat en penningmeester van de stad.

James Watt was intelligent, maar vanwege zijn slechte gezondheid kon hij niet regelmatig naar school. In plaats daarvan kreeg hij de vaardigheden die hij later nodig zou hebben engineering en gereedschap door samen met zijn vader aan timmerprojecten te werken. Op 6-jarige leeftijd loste James Watt geometrische problemen op en deed hij zijn eerste onderzoek naar de aard van stoom, waarbij hij experimenteerde met de theeketel van zijn moeder. Als jongen was Watt een fervent lezer en vond hij iets dat hem interesseerde in elk boek dat in zijn handen kwam.

Toen Watt uiteindelijk naar de dorpsschool werd gestuurd, verhinderde zijn slechte gezondheid dat hij snel vorderingen maakte; pas toen hij 13 of 14 was, begon hij zijn vaardigheden te vertonen, vooral in de wiskunde. Zijn vrije tijd bracht hij door met schetsen met zijn potlood, houtsnijwerk en werken aan de gereedschapsbank met hout en metaal. Hij maakte veel ingenieuze mechanische werken en enkele prachtige modellen, en repareerde graag nautische instrumenten.

Nadat zijn moeder in 1754 stierf, werd de 18-jarige Watt naar Glasgow gestuurd om als handelaar te trainen bij zijn oom John Muirhead. Een van de familieleden van zijn moeder was de voorzitter van de afdeling Oosterse talen en geesteswetenschappen aan het Glasgow College, en Watt werd daar lid van de literaire samenleving. Hij ontmoette ook andere geleerden in Glasgow die invloedrijk en ondersteunend voor zijn carrière zouden blijken te zijn: Robert Dick, hoogleraar natuurfilosofie, Robert Simpson in de wiskunde en William Cullen in de geneeskunde en scheikunde.

Het was Dick die suggereerde dat Watt naar Londen zou gaan om een ​​opleiding als wiskunde-instrumentmaker te volgen. Met een introductiebrief vertrok Watt in 1755 naar Londen en begon te werken met de instrumentenmaker John Morgan. Watt was officieel geen leerling, maar hij werkte wel aan mechanische instrumentatie: Morgan dacht dat hij getalenteerd was, maar het duurde te lang voordat hij zijn werk had voltooid. De baan bij Morgan eindigde in juni 1756 en Dick bezorgde hem een ​​korte termijn positie om te werken aan een astronomische klok, reflecterende telescopen en doorvoerinstrumenten. Watt keerde aan het eind van het jaar terug naar Greenock, maar ging al snel terug naar Glasgow, waar hij een klein bedrijf begon in het kwadrant maken. Hij werd aangesteld als wiskundige instrumentmaker aan het Glasgow College, ondersteund door Dick's vervanger John Anderson, en door Cullen's vervanger en chemicus. Joseph Black (1728–1799). Zwart is vooral bekend om zijn werk aan latente en specifieke heats en voor zijn ontdekking van kooldioxide, en hij zou een fervent aanhanger van Watt worden.

In 1759 toonde John Robison, een student in Glasgow, Watt een model van de Newcomen stoommachine en suggereerde dat het zou kunnen worden gebruikt om wagons voort te stuwen. De Newcomen werd in 1703 uitgevonden en gepatenteerd door Thomas Newcomen (1664–1729), en Watt begon met bouwen miniatuurmodellen met blikken stoomcilinders en zuigers die door een tandwielsysteem aan de aandrijfwielen zijn bevestigd. In zijn eigen experimenten gebruikte hij eerst apothekersproeven en holle stokken voor stoomreservoirs en pijpen, en later een Papinvergister en een gewone spuit. Deze laatste combinatie maakte een niet-condenserende motor, waarbij hij stoom gebruikte met een druk van 15 pond per vierkante inch. De klep werd met de hand bewerkt en James Watt zag dat er een automatische klepversnelling nodig was om een ​​werkende machine te maken. Dit experiment leverde echter geen praktisch resultaat op en de komende jaren stopte hij met dit onderzoek.

Watt bleef bij de universiteit tot de jaren 1760, toen hij een partnerschap aanging met een handelaar genaamd John Craig, die gedeeltelijk met Black werd gefinancierd. Een van hun activiteiten was het produceren van alkali uit zout - in de 18e eeuw kon alkali alleen worden geproduceerd uit planten. Craig en Watt waren een van de vele mensen die op zoek waren naar een manier om het chemisch te creëren, een inspanning die pas in 1820 werd bereikt. Watt en Craig werkten ook aan pottenbakkersovens en -glazuren voor het maken van tinglazuur-delftsblauw.

In 1764 trouwde Watt met Margaret Millar, beter bekend als Peggy, een neef die hij al van kinds af aan kende. Ze zouden vijf kinderen krijgen, waarvan er slechts twee volwassen werden: Margaret, geboren in 1767, en James III, geboren in 1769, die als volwassene de belangrijkste steun en zakenpartner van zijn vader zou worden.

In de winter van 1763–1764 vroeg John Anderson in Glasgow Watt om een ​​model van de Newcomen-motor te repareren. Hij kon het laten draaien, maar hij was benieuwd waarom de machine zoveel stoom en condenswater verbruikte. Watts begon de geschiedenis van de stoommachine te bestuderen en deed experimenteel onderzoek naar de eigenschappen van stoom.

Het stoommachine-model van Newcomen had een ketel die op schaal was gemaakt en niet in staat was voldoende stoom te leveren om een ​​motor aan te drijven. Het was ongeveer negen centimeter in diameter; de stoomcilinder had een diameter van twee inch en een zuigerslag van zes inch. Watt maakte een nieuwe ketel die de hoeveelheid verdampt water en de gecondenseerde stoom bij elke slag van de motor kon meten.

Watt ontdekte al snel dat de motor een zeer kleine hoeveelheid stoom nodig had om een ​​zeer grote hoeveelheid water te verwarmen. Hij begon onmiddellijk nauwkeurig de relatieve gewichten van stoom en water in de stoomcilinder te bepalen wanneer condensatie plaatsvond bij de neerwaartse slag van de motor. James Watt bewees onafhankelijk het bestaan ​​van "latente warmte, "die was ontdekt door zijn mentor en supporter Joseph Black. Watt ging met zijn onderzoek naar Black, die zijn kennis deelde met Watt. Watt ontdekte dat bij de kookpunt, zijn condenserende stoom was in staat om zes keer zijn gewicht aan water te verwarmen dat voor de productie werd gebruikt condensatie.

Realiserend dat stoomgewicht voor gewicht een veel groter absorberend en warmtevoorraad was dan water, Watt zag het belang in om meer zorg te besteden om het te besparen dan voorheen geprobeerd. In eerste instantie bezuinigde hij op de ketel en maakte hij ketels met houten "schelpen" om verliezen door te voorkomen geleiding en straling. Hij gebruikte ook een groter aantal rookkanalen dan Newcomen nodig had om de warmte uit de ovengassen vollediger te absorberen. Hij bedekte ook zijn stoompijpen met niet-geleidende materialen en nam alle voorzorgsmaatregelen om de volledige benutting van de warmte van te verzekeren verbranding.

Hij ontdekte al snel dat de bronnen van warmteverlies in de Newcomen-motor waren:

• De afvoer van warmte door de cilinder zelf, die van messing was en zowel een goede geleider als een goede radiator was.
• Het warmteverlies als gevolg van de noodzaak de cilinder bij elke slag af te koelen bij het produceren van de vacuüm.
• Het vermogensverlies als gevolg van de dampdruk onder de zuiger, die het gevolg was van de onvolmaakte condensatiemethode.

Zijn eerste poging tot een cilinder van niet-geleidend materiaal was gemaakt van in olie gedrenkt en vervolgens gebakken hout, wat de stoombesparing deed toenemen. Vervolgens voerde hij een reeks zeer nauwkeurige experimenten uit op de temperatuur en druk van stoom door de hoeveelheid stoom te meten die bij elke slag van de motor werd gebruikt. Hij kon zijn eerdere conclusie bevestigen dat driekwart van de aan de motor toegevoerde warmte werd verspild.

Na zijn wetenschappelijk onderzoek werkte James Watt aan het verbeteren van de stoommachine met een intelligent begrip van de bestaande defecten en een kennis van de oorzaak ervan. Watt zag al snel dat om de verliezen in de werking van de stoom in de stoomcilinder te verminderen, er zou een manier moeten worden gevonden om de cilinder constant zo heet te houden als de stoom die binnenkwam het.

James Watt: "Het idee kwam bij me op dat stoom, omdat het een elastisch lichaam was, in een vacuüm zou stromen, en als een communicatie tussen de cilinder en een uitgeput vat tot stand kwam, zou er in stromen en zou daar zonder koeling kunnen condenseren de cilinder. Ik zag toen dat ik de gecondenseerde stoom en het injectiewater moest verwijderen als ik een straal gebruikte, zoals in de motor van Newcomen. Twee manieren om dit te doen kwamen bij me op: ten eerste kan het water worden afgevoerd door een dalende pijp, als een off-jet op een diepte van 35 of 36 voet kan worden gehaald, en kan eventuele lucht worden afgezogen door een kleine pomp. De tweede was om de pomp groot genoeg te maken om zowel water als lucht af te voeren. "

Hij vervolgde: 'Bij analyse leek de uitvinding niet zo groot als ze leek te zijn. In de staat waarin ik de stoommachine aantrof, kostte het me niet veel moeite om te observeren dat de hoeveelheid brandstof die nodig was om hem te laten werken, zijn uitgebreide bruikbaarheid voor altijd zou verhinderen. De volgende stap in mijn vooruitgang was even gemakkelijk: nagaan wat de oorzaak was van het grote brandstofverbruik. Ook dit werd gemakkelijk gesuggereerd, namelijk de verspilling van brandstof die nodig was om de hele cilinder, zuiger, en aangrenzende delen van de kou van water tot de hitte van stoom, maar liefst 15 tot 20 keer per minuut. "

James Watt had zijn allerbelangrijkste afzonderlijke condensor uitgevonden. Hij ging over tot een experimentele test van zijn nieuwe uitvinding. Zijn kleine model werkte heel goed en de perfectie van het vacuüm was zodanig dat de machine een gewicht van 18 pond hing dat aan de zuigerstang was opgehangen. Vervolgens construeerde hij een groter model en het resultaat van zijn test bevestigde de resultaten van zijn eerste experimenten.

Het kostte Watt jaren om de details van de nieuwe stoommachine te achterhalen. Om te beginnen moest Watt een manier vinden om te voorkomen dat de condensor zich met water vulde. Hij probeerde verschillende benaderingen, waaronder een luchtpomp, die de condensor van het water en de lucht die zich in de condensor verzamelde, ontlastte en het vacuüm verminderde. Vervolgens verving hij olie en talk door het water dat werd gebruikt om de zuiger te smeren, waardoor de stoom strak bleef en koeling van de cilinder werd voorkomen. Een andere oorzaak van de koeling van de cilinder en de daaruit voortvloeiende stroomverspilling tijdens de werking was de ingang van lucht, die de zuiger bij elke slag langs de cilinder volgde, waardoor het interieur werd gekoeld contact. De uitvinder heeft dit voorkomen door de bovenkant van de cilinder te bedekken en de hele cilinder te omringen met een externe omhulsel, of "stoommantel", waardoor de stoom van de ketel om de stoomcilinder kan stromen en op het bovenoppervlak van de zuiger.

Na het bouwen van zijn grotere experimentele motor huurde Watt een kamer in een oud, verlaten huisje. Daar werkte hij samen met monteur Folm Gardiner. Watt had zojuist John Roebuck ontmoet, een rijke arts, die, samen met andere Schotse kapitalisten, onlangs de beroemde Carron Iron Works had opgericht. Roebuck begon de inspanningen van Watt financieel te ondersteunen en Watt schreef vaak aan Roebuck waarin hij zijn vorderingen beschreef.

In augustus 1765 probeerde hij de kleine motor en schreef Roebuck dat hij "goed succes" had, hoewel de machine zeer onvolmaakt was, en hij vertelde Roebuck dat hij begon met het maken van het grotere model. In oktober 1765 voltooide hij de grote stoommachine. De motor, hoewel klaar voor proef, was nog verre van perfect. Toch deed het goed werk voor zo'n ruwe machine.

Helaas werd James Watt in 1765 tot armoede teruggebracht, en nadat hij aanzienlijke bedragen van vrienden had geleend, moest hij uiteindelijk werk zoeken om in zijn gezin te voorzien. Gedurende een periode van ongeveer twee jaar ondersteunde hij zichzelf als burgerlijk ingenieur bij het inspecteren en beheren van de bouw van verschillende kanalen in Schotland en het verkennen van kolenvelden in de buurt van Glasgow voor de magistraten van de stad. Hij gaf zijn uitvinding echter niet helemaal op.

In 1767 nam Roebuck de verplichtingen van Watt voor een bedrag van 1.000 Britse ponden op zich en stemde ermee in meer kapitaal te verstrekken in ruil voor tweederde van het patent van Watt. Een andere motor werd gebouwd met een stoomcilinder van zeven of acht centimeter in diameter, die in 1768 klaar was. Dit werkte voldoende goed om de partners ertoe aan te zetten een octrooi aan te vragen, en de specificaties en tekeningen werden voltooid en gepresenteerd in 1769.

Watt bouwde en installeerde ook verschillende Newcomen-motoren, deels misschien om zichzelf grondiger vertrouwd te maken met de praktische details van het bouwen van motoren. Ondertussen maakte hij plannen voor en bouwde een matig grote motor van zijn eigen nieuwe type. De stoomcilinder had een diameter van 18 inch en de slag van de zuiger was 5 voet. Deze motor werd gebouwd bij Kinneil en werd in september 1769 afgewerkt. Het was niet allemaal bevredigend in de constructie of de werking. De condensor was een condensor aan het oppervlak die was samengesteld uit pijpen die ongeveer leken op die van zijn eerste kleine model en die niet voldoende dicht bleken te zijn. De stoomzuiger lekte ernstig en herhaalde beproevingen dienden alleen om de onvolkomenheden duidelijker te maken. Hij werd bijgestaan ​​met financiële en morele steun door zowel Joseph Black als John Roebuck, maar hij voelde sterk over de risico's die hij liep van het betrekken van zijn vrienden bij ernstige verliezen en werd zeer moedeloos.

Watt schreef aan Black en zei: 'Van alle dingen in het leven is er niets dwazers dan uitvinden; en waarschijnlijk zijn de meeste uitvinders door hun eigen ervaringen tot dezelfde mening gebracht. "

In 1768 reisde James Watt naar Londen om zijn patent in te dienen en onderweg ontmoette hij Matthew Boulton. Boulton was de eigenaar van een productiebedrijf in Birmingham, bekend als de Soho Manufactory, dat kleine metalen goederen maakte. Hij had het bedrijf van zijn vader geërfd en aanzienlijk opgebouwd. Hij en zijn bedrijf waren zeer bekend in de Engelse verlichtingsbeweging halverwege de 18e eeuw.

Boulton was een goede geleerde, met een aanzienlijke kennis van talen en wetenschap - met name wiskunde - ondanks het feit dat hij als jongen de school had verlaten om in de winkel van zijn vader te gaan werken. In de winkel introduceerde hij al snel een aantal waardevolle verbeteringen en hij was altijd op zoek naar andere ideeën die in zijn bedrijf zouden kunnen worden geïntroduceerd.

Hij was ook een lid van de beroemde Lunar Society of Birmingham, een groep mannen die elkaar ontmoetten om samen natuurlijke filosofie, techniek en industriële ontwikkeling te bespreken: andere leden waren de ontdekker van zuurstof Joseph Priestley,Erasmus Darwin (grootvader van Charles Darwin) en de experimentele pottenbakker Josiah Wedgewood. Watt kwam bij de groep nadat hij de partner van Boulton was geworden.

Als flamboyante en energieke geleerde maakte Boulton kennis met Benjamin Franklin in 1758, die toen Soho bezocht. Tegen 1766 kwamen deze vooraanstaande mannen overeen en bespraken onder meer de toepasbaarheid van stoomkracht voor verschillende nuttige doeleinden. Ze ontwierpen een nieuwe stoommachine en Boulton bouwde een model, dat naar Franklin werd gestuurd en door hem in Londen werd tentoongesteld. Ze waren zich nog niet bewust van het bestaan ​​van James Watt.

Toen Boulton Watt in 1768 ontmoette, hield hij van zijn motor en besloot hij een belang in het octrooi te kopen. Met toestemming van Roebuck bood Watt Boulton een derde belang aan. Hoewel er verschillende complicaties waren, stelde Roebuck uiteindelijk voor om de helft van zijn eigendom in de uitvindingen van Watt over te dragen aan Matthew Boulton voor een bedrag van 1.000 pond. Dit voorstel werd in november 1769 aanvaard.

In november 1774 kondigde Watt eindelijk aan zijn oude partner Roebuck aan dat hij de Kilmeil-motor succesvol had getest. Hij schreef niet met zijn gebruikelijke enthousiasme en extravagantie; in plaats daarvan schreef hij simpelweg: "De brandweerauto die ik heb uitgevonden gaat nu en reageert veel beter dan alle andere die tot nu toe zijn gemaakt, en ik verwacht dat de uitvinding zal mij zeer ten goede komen. "

Een reden voor zijn gebrek aan enthousiasme was dat zijn vrouw vorig jaar september 1773 tijdens de bevalling was overleden. Hartziek, Watt begroef zichzelf in zijn werk. Vanaf half februari 1774 werkte hij aan thermometers en barometers. Hij beëindigde zijn civieltechnische bedrijf in Schotland (deels vanwege een financiële crisis in Schotland) en in mei reisde hij zuidwaarts naar Birmingham, waar hij lid werd van de Lunar Society. In 1775 ging hij een volledige samenwerking aan met Matthew Boulton.

Vanaf dat moment was de firma Boulton and Watt in staat om een ​​reeks werkende motoren te produceren met echte toepassingen. Er werden nieuwe innovaties en patenten aangevraagd voor machines die gebruikt konden worden voor slijpen, weven en frezen. Stoommachines werden in gebruik genomen voor transport over land en water. Bijna elke succesvolle en belangrijke uitvinding die de geschiedenis van stoomkracht is vele jaren ontstaan ​​in de ateliers Boulton en Watt.

Het werk van Watt met Boulton veranderde hem in een figuur van internationale allure onder mannen van letters. Zijn 25 jaar durende patent bracht hem rijkdom; en hij en Boulton werden leiders in de technologische verlichting in Engeland, met een solide reputatie voor innovatieve techniek. Watt trouwde in 1776 met Ann Macgregor en ze kregen twee kinderen (Gregory en Jessy), die beiden jong zouden sterven. James Watt Jr., zijn zoon van zijn eerste vrouw, overleefde zijn vader en speelde een rol in de voortdurende Engelse verlichting.

Als gevolg van zijn samenwerking met Matthew Boulton werd James Watt een zeer welvarende man en bouwde hij een elegant herenhuis dat bekend staat als "Heathfield House" in Handsworth, Staffordshire. Hij ging met pensioen in 1800 en bracht de rest van zijn leven door in vrije tijd en reizen om vrienden en familie te bezoeken. Hij stierf op 25 augustus 1819 in Heathfield. Hij werd begraven op het kerkhof van de St Mary's Church in Handsworth.

Op een zeer betekenisvolle manier stimuleerden Watts uitvindingen de industriële revolutie en innovaties van de moderne tijd, variërend van auto's en treinen tot fabrieken en de sociale kwesties die evolueerden als een resultaat. Bovendien is de naam van Watt gehecht aan straten, musea en scholen. Zijn verhaal heeft boeken, films en kunstwerken geïnspireerd, waaronder beelden in Piccadilly Gardens en St. Paul's Cathedral.

Op het beeld bij St. Paul's staan ​​de woorden gegraveerd: "James Watt... vergroot de middelen van zijn land, vergroot de macht van de mens, en groeide uit tot een vooraanstaande plaats onder de meest illustere volgelingen van de wetenschap en de echte weldoeners van de wereld."

• Jones, Peter M. "Living the Enlightenment and the French Revolution: James Watt, Matthew Boulton en hun zonen." The Historical Journal 42.1 (1999): 157–82. Afdrukken.
• Hills, Richard L. "Power from Steam: A History of the Stationary Steam Engine." Cambridge: Cambridge University Press, 1993.
• Miller, David Philip. "'Puffing Jamie': The Commercial and Ideological Importance of Being a ‘Philosopher’ in the Case of the Reputation of James Watt (1736–1819)." Geschiedenis van de wetenschap 38.1 (2000): 1–24. Afdrukken.
• "The Life and Legend of James Watt: Collaboration, Natural Philosophy, and the Improvement of the Steam Engine." Pittsburgh: University of Pittsburgh Press, 2019.
• Pugh, Jennifer S. en John Hudson. "The Chemical Work van James Watt, F.R.S.." Aantekeningen en records van de Royal Society of London 40.1 (1985): 41–52. Afdrukken.
• Russell, Ben. 'James Watt: de wereld opnieuw maken.' Londen: Science Museum, 2014.
• Wright, Michael. "James Watt: Maker van muziekinstrumenten." The Galpin Society Journal 55 (2002): 104–29. Afdrukken.