Biografie van James Watt, uitvinder van de moderne stoommachine

James Watt (19 januari 1736 - 25 augustus 1819) was een Schotse uitvinder, ingenieur en scheikundige. Hij ontwikkelde een werkbare stoommachine met een afzonderlijke condensor; deze innovatie maakte de stoommachine tot een nuttig hulpmiddel voor een breed scala aan toepassingen. In veel opzichten was de uitvinding van Watt - of beter gezegd, zijn verbetering ten opzichte van een eerdere uitvinding, de stoommachine van Newcomen - de technologische stimulans achter de industriële revolutie.

Snelle feiten: James Watt

• Bekend om: Uitvinding van de stoommachine
• Geboren: 19 januari 1736 in Greenock, Renfrewshire, Schotland, Verenigd Koninkrijk
• Ouders: Thomas Watt, Agnes Muirhead
• Ging dood: 25 augustus 1819 in Handsworth, Birmingham, Engeland, Verenigd Koninkrijk
• Onderwijs: Thuisonderwijs
• Gepubliceerde werken: Een systeem van mechanische filosofie
• Awards en onderscheidingen: Veel straten en scholen dragen zijn naam; beelden van zijn gelijkenis in Picadilly Gardens en St. Paul's Cathedral
• Partner (s): Margaret (Peggy) Miller, Ann MacGregor
• Kinderen: James Jr., Margaret, Gregory, Janet, Ann
• Opmerkelijk citaat: "Ik was op een mooie sabbatmiddag gaan wandelen. Ik was bij de poort aan de voet van Charlotte Street de Green binnengegaan en had het oude washuis gepasseerd. Ik dacht toen aan de motor en was weg tot aan het huis van de kudde, toen het idee bij me opkwam ... ik was niet verder dan het Golfhuis gelopen toen het hele ding in mijn gedachten was geregeld. "

Vroege leven

James Watt werd geboren op 19 januari 1736 in Greenock, Schotland, als het enige overlevende kind van vier van James Watt (1699-1737) en Agnes Muirhead (1901-1754). Greenock was een vissersdorp dat tijdens Watts leven een drukke stad werd met een vloot stoomschepen. James Jr.'s grootvader Thomas Watt (1642-1734) was een bekende wiskundige en plaatselijke schoolmeester. James Sr. was een prominente burger van Greenock en een succesvolle timmerman en scheepsbouwer die werkte bij het uitrusten van schepen en werkte aan hun instrumenten, kompassen en kwadranten. Op verschillende momenten was James Sr. ook de hoofdmagistraat en penningmeester van de stad.

Onderwijs

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

Toen Watt uiteindelijk naar de dorpsschool werd gestuurd, verhinderde zijn slechte gezondheid dat hij snel vooruitging; het was pas toen hij 13 of 14 was dat hij zijn vaardigheden begon te vertonen, vooral in de wiskunde. Zijn vrije tijd besteedde hij aan schetsen met zijn potlood, snijwerk en werken op de gereedschapsbank met hout en metaal. Hij maakte veel ingenieuze mechanische werken en enkele prachtige modellen, en genoot van het repareren van nautische instrumenten.

leertijd

Nadat zijn moeder in 1754 stierf, werd de 18-jarige Watt naar Glasgow gestuurd om te trainen als koopman bij zijn oom John Muirhead. Een van de familieleden van zijn moeder was voorzitter van de afdeling Oriental Languages ​​and Humanities aan het Glasgow College, en Watt werd daar lid van de literaire samenleving. Hij ontmoette ook andere wetenschappers in Glasgow die invloedrijk en ondersteunend voor zijn carrière zouden blijken te zijn: Robert Dick, professor in de 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 te volgen als maker van wiskunde-instrumenten. Met een introductiebrief vertrok Watt in 1755 naar Londen en begon te werken met de instrumentmaker John Morgan. Watt was officieel geen leerling, maar hij werkte wel aan mechanische instrumenten: Morgan dacht dat hij getalenteerd was, maar het duurde te lang om zijn werk te voltooien. De baan bij Morgan eindigde in juni 1756 en Dick kreeg hem op de korte termijn om te werken aan een astronomische klok, reflecterende telescopen en doorvoerinstrumenten. Watt keerde aan het einde van het jaar terug naar Greenock, maar hij ging snel terug naar Glasgow, waar hij een klein bedrijf begon in het maken van kwadranten. Hij werd aangesteld als wiskundig instrumentmaker aan het Glasgow College, ondersteund door Dick's vervanger John Anderson en door Cullen's vervanger en chemicus Joseph Black (1728-1799). Black staat vooral bekend om zijn werk op het gebied van latente en specifieke hitte en voor zijn ontdekking van kooldioxide, en hij zou een fervent voorstander van Watt worden.

Vroege Experimentatie

In 1759 liet John Robison, een student in Glasgow, Watt een model van de Newcomen-stoommachine zien en suggereerde dat het zou kunnen worden gebruikt om rijtuigen voort te stuwen. De Newcomen werd uitgevonden en gepatenteerd in 1703 door Thomas Newcomen (1664-1729), en Watt begon miniatuurmodellen te bouwen met behulp van blikken stoomcilinders en zuigers die aan aandrijfwielen waren bevestigd door een systeem van tandwielen. In zijn eigen experimenten gebruikte hij in eerste instantie proeven van apothekers en holle stokken voor stoomreservoirs en pijpen, en later een Papin's vergister en een gewone spuit. De laatste combinatie maakte een niet-condenserende motor, waarin hij stoom gebruikte met een druk van 15 pond per vierkante inch. De klep werd met de hand bewerkt en James Watt zag dat een automatische klepoverbrenging nodig was om een ​​werkende machine te maken. Dit experiment leidde echter tot geen praktisch resultaat en voor de volgende jaren stopte hij met dit onderzoek.

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

Huwelijk en gezin

In 1764 trouwde Watt met Margaret Millar, bekend als Peggy, een neef die hij al kende sinds ze kinderen waren. 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.

De stoommachine van Newcomen

In de winter van 1763-1764 vroeg John Anderson in Glasgow Watt om een ​​model van de Newcomen-motor te repareren. Hij kon het aan de praat krijgen, maar hij was nieuwsgierig waarom de machine zoveel stoom en condenserend water verbruikt. Watts begon de geschiedenis van de stoommachine te bestuderen en deed experimenteel onderzoek naar de eigenschappen van stoom.

Het model van de Newcomen-stoommachine 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 had een zuigerslag van zes inch. Watt maakte een nieuwe boiler die de hoeveelheid verdampt water kon meten en de stoom condenseerde bij elke slag van de motor.

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 met precisie de relatieve gewichten van stoom en water in de stoomcilinder te bepalen toen condensatie plaatsvond bij de neerwaartse slag van de motor. James Watt bewees onafhankelijk het bestaan ​​van 'latente hitte', die was ontdekt door zijn mentor en supporter Joseph Black. Watt ging naar Black met zijn onderzoek, die zijn kennis deelde met Watt. Watt ontdekte dat zijn condenserende stoom op het kookpunt zes keer het gewicht van water kon verwarmen dat werd gebruikt voor het produceren van condensatie.

Watt's afzonderlijke condensor

Watt realiseerde zich dat stoomgewicht voor gewicht een veel groter absorptievermogen en warmteopslag was dan water, en zag het belang in van grotere zorgvuldigheid om het te besparen dan eerder was geprobeerd. Aanvankelijk bespaarde hij in de ketel en maakte hij ketels met houten "schalen" om verliezen door geleiding en straling te voorkomen. Hij gebruikte ook een groter aantal rookkanalen dan Newcomen om een ​​vollediger absorptie van de warmte uit de ovengassen te verzekeren. Hij bedekte ook zijn stoompijpen met niet-geleidende materialen en nam alle voorzorgsmaatregelen om het volledige gebruik van de verbrandingswarmte te verzekeren.

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

• De warmteafvoer 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 om de cilinder bij elke slag bij het produceren van het vacuüm af te koelen.
• Het vermogensverlies door de dampdruk onder de zuiger, wat een gevolg was van de imperfecte condensatiemethode.

Zijn eerste poging tot een cilinder van niet-geleidend materiaal was gemaakt van hout gedrenkt in olie en vervolgens gebakken, wat de economie van stoom deed toenemen. Hij voerde vervolgens 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 geleverde warmte verspild was.

Verdere verbeteringen

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. Watt zag al snel dat om de verliezen in de werking van de stoom in de stoomcilinder te verminderen, er een manier moest worden gevonden om de cilinder constant zo heet te houden als de stoom die erin kwam.

Volgens James Watt: "Het idee kwam in me op dat, omdat stoom een ​​elastisch lichaam was, het in een vacuüm zou snellen en, als er een communicatie tussen de cilinder en een uitgeput vat zou worden gemaakt, het erin zou stromen, en kan er gecondenseerd zijn zonder de cilinder te koelen. Ik zag toen dat ik van de gecondenseerde stoom en het injectiewater af moest komen als ik een jet gebruikte, zoals in de motor van Newcomen. Twee manieren om dit te doen kwamen bij me op: afgevoerd door een afdalende pijp, als een uitstraal op een diepte van 35 of 36 voet kon worden gehaald en eventuele lucht zou kunnen worden afgezogen door een kleine pomp. De tweede was, de pomp groot genoeg te maken om zowel water als lucht te onttrekken ."

Hij vervolgde: "Wanneer geanalyseerd, zou de uitvinding niet zo groot lijken als het leek. In de staat waarin ik de stoommachine vond, was het geen grote inspanning om te observeren dat de hoeveelheid brandstof die nodig was om het te laten werken zou voor altijd het uitgebreide nut ervan verhinderen. De volgende stap in mijn vooruitgang was even gemakkelijk te onderzoeken wat de oorzaak was van het grote brandstofverbruik. Ook dit werd meteen gesuggereerd, namelijk de verspilling van brandstof die nodig was om de hele cilinder, zuiger en aangrenzende delen van de koude van water tot de hitte van stoom, niet minder dan 15 tot 20 keer per minuut. "

James Watt had zijn uiterst belangrijke 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 aan de zuigerstang hief. Hij construeerde toen een groter model, en het resultaat van zijn test bevestigde de resultaten van zijn eerste experimenten.

Watt bouwt zijn eigen stoommachine

Het duurde jaren voor Watt 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 verzamelden, ontlastte en het vacuüm verminderde. Vervolgens verving hij olie en talg door het water dat werd gebruikt om de zuiger te smeren, waardoor de stoom strak blijft en koeling van de cilinder wordt voorkomen. Een andere oorzaak van koeling van de cilinder en de daaruit voortvloeiende verspilling van energie was de invoer van lucht, die de zuiger bij elke slag langs de cilinder volgde en zijn inwendige koeling door zijn contact. De uitvinder heeft voorkomen dat dit gebeurde door de bovenkant van de cilinder te bedekken en de hele cilinder te omringen met een externe behuizing, of "stoommantel", waardoor de stoom uit de boiler rond de stoomcilinder kon passeren 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 met monteur Folm Gardiner. Watt had net John Roebuck ontmoet, een rijke arts, die samen met andere Schotse kapitalisten onlangs de gevierde Carron Iron Works had opgericht. Roebuck begon de inspanningen van Watt financieel te ondersteunen en Watt schreef regelmatig 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 liet Roebuck weten dat hij het grotere model begon te maken. In oktober 1765 voltooide hij de grote stoommachine. Hoewel de motor klaar was voor de proef, was hij nog verre van perfect. Het deed desalniettemin goed werk voor zo'n ruwe machine.

Financiële en persoonlijke tegenslagen

Helaas werd James Watt in 1765 tot armoede gereduceerd en moest hij, nadat hij aanzienlijke bedragen van vrienden had geleend, eindelijk werk zoeken om zijn gezin te onderhouden. Gedurende een periode van ongeveer twee jaar ondersteunde hij zichzelf als civiel ingenieur, onderzoek en beheer 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 over voor een bedrag van 1.000 Britse ponden en kwam overeen om meer kapitaal te verstrekken in ruil voor tweederde van het patent van Watt. Een andere motor werd gebouwd met een stoomcilinder met een diameter van zeven of acht inch, die in 1768 was voltooid. Dit werkte voldoende goed om de partners ertoe aan te zetten om een ​​patent 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 meer vertrouwd te maken met de praktische details van het bouwen van motoren. Ondertussen bereidde hij plannen voor en bouwde hij een redelijk 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 in Kinneil en werd voltooid in september 1769. Het was niet allemaal bevredigend in zijn constructie of zijn werking. De condensor was een oppervlaktecondensor die uit pijpen bestond, ongeveer zoals die in zijn eerste kleine model werden gebruikt en bleek niet voldoende strak te zijn. De stoomzuiger lekte ernstig en herhaalde proeven dienden alleen om zijn onvolkomenheden duidelijker te maken. Hij werd bijgestaan ​​met financiële en morele steun van zowel Joseph Black als John Roebuck, maar hij had veel vertrouwen in de risico's die hij liep om zijn vrienden in ernstige verliezen te betrekken 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 dezelfde ervaringen tot dezelfde mening geleid."

Partnerschap met Matthew Boulton

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, die kleine metalen goederen maakte. Hij had de zaak van zijn vader geërfd en aanzienlijk opgebouwd. Hij en zijn bedrijf waren zeer bekend in de Engelse verlichtingsbeweging in het midden van 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 verliet om in zijn vaders winkel 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 lid van de beroemde Lunar Society of Birmingham, een groep mannen die bijeenkwamen om de natuurlijke filosofie, engineering en industriële ontwikkeling samen te bespreken: andere leden waren de ontdekker van zuurstof Joseph Priestley, Erasmus Darwin (grootvader van Charles Darwin), en de experimentele pottenbakker Josiah Wedgewood. Watt werd lid van de groep nadat hij Boulton's partner werd.

Een flamboyante en energieke geleerde, Boulton maakte kennis met Benjamin Franklin in 1758, die vervolgens Soho bezocht. In 1766 waren deze vooraanstaande mannen overeenkomstig en bespraken ze onder andere de toepasbaarheid van stoomkracht op 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 moesten zich nog bewust worden van het bestaan ​​van James Watt.

Toen Boulton Watt ontmoette in 1768, hield hij van zijn motor en besloot hij een belang in het patent 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 eigendomsrecht op de uitvindingen van Watt over te dragen aan Matthew Boulton voor de som van 1.000 pond. Dit voorstel werd in november 1769 aanvaard.

Werkende stoommotoren

In november 1774 kondigde Watt eindelijk zijn oude partner Roebuck aan dat hij een succesvolle proef met de Kilmeil-motor had gedaan. Hij schreef niet met zijn gebruikelijke enthousiasme en extravagantie; in plaats daarvan schreef hij eenvoudig: "De brandweerwagen die ik heb uitgevonden, gaat nu, en antwoordt veel beter dan alle andere die tot nu toe is gemaakt, en ik verwacht dat de uitvinding zeer gunstig voor mij zal zijn."

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

Vanaf dat moment was het bedrijf Boulton en Watt in staat om een ​​reeks werkende motoren te produceren met echte toepassingen. Nieuwe innovaties en patenten werden verwijderd voor machines die kunnen worden gebruikt voor slijpen, weven en frezen. Stoommachines werden in gebruik genomen voor transport op zowel land als water. Bijna elke succesvolle en belangrijke uitvinding die de geschiedenis van stoomkracht gedurende vele jaren markeerde, ontstond in de workshops Boulton en Watt.

Pensioen en overlijden

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

Als gevolg van zijn samenwerking met Matthew Boulton werd James Watt een zeer rijke man, die een elegant herenhuis bouwde dat bekend stond als "Heathfield House" in Handsworth, Staffordshire. Hij ging met pensioen in 1800 en bracht de rest van zijn leven door in zijn 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 St Mary's Church in Handsworth.

nalatenschap

Op een zeer zinvolle manier hebben Watts uitvindingen aangespoord tot de industriële revolutie en innovaties van de moderne tijd, variërend van auto's en treinen tot fabrieken en de sociale problemen die zich hierdoor ontwikkelden. Bovendien is de naam Watt verbonden 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 standbeeld in St. Paul's zijn de woorden gegraveerd: "James Watt ... vergrootte de rijkdommen van zijn land, verhoogde de macht van de mens en steeg naar een eminente plaats onder de meest illustere volgelingen van de wetenschap en de echte weldoeners van de wereld. "

bronnen

• Jones, Peter M. "Living the Enlightenment and the French Revolution: James Watt, Matthew Boulton and Their Sons." 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 ': het commerciële en ideologische belang van een' filosoof 'in het geval van de reputatie van 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 of James Watt, F.R.S." Aantekeningen en gegevens van de Royal Society of London 40.1 (1985): 41-52. Afdrukken.
• Russell, Ben. "James Watt: Making the World Anew." Londen: Science Museum, 2014. 
• Wright, Michael. "James Watt: Musical Instrument Maker." The Galpin Society Journal 55 (2002): 104-29. Afdrukken.