No puedo pensar en nada más que en esta máquina.
James Watt fue un inventor, ingeniero mecánico y químico escocés que mejoró el motor de vapor Newcomen de 1712 con su motor de vapor Watt en 1776, que fue fundamental para los cambios provocados por la Revolución Industrial tanto en su Gran Bretaña natal como en el resto del mundo.
Mientras trabajaba como fabricante de instrumentos en la Universidad de Glasgow, Watt se interesó en la tecnología de los motores de vapor. Se dio cuenta de que los diseños de motores contemporáneos desperdiciaban una gran cantidad de energía al enfriar y recalentar repetidamente el cilindro. Watt introdujo una mejora en el diseño, el condensador separado, que evitaba este desperdicio de energía y mejoró radicalmente la potencia, eficiencia y rentabilidad de los motores de vapor. Eventualmente adaptó su motor para producir movimiento rotatorio, ampliando enormemente su uso más allá del bombeo de agua.
Watt intentó comercializar su invención, pero experimentó grandes dificultades financieras hasta que entró en asociación con Matthew Boulton en 1775. La nueva empresa de Boulton and Watt fue finalmente muy exitosa y Watt se convirtió en un hombre adinerado. En su jubilación, Watt continuó desarrollando nuevas invenciones, aunque ninguna fue tan significativa como su trabajo en el motor de vapor.
Desarrolló el concepto de potencia en caballos de fuerza, y la unidad SI de potencia, el vatio, fue nombrada en su honor.
Primeros años y educación
James Watt nació el 19 de enero de 1736 en Greenock, Renfrewshire, el mayor de los cinco hijos supervivientes de Agnes Muirhead 1703–1755 y James Watt 1698–1782. Su madre provenía de una familia distinguida, estaba bien educada y se decía que era de carácter fuerte, mientras que su padre era carpintero de barcos, propietario de barcos y contratista, y ejerció como alguacil jefe de Greenock en 1751. Los padres de Watts eran presbiterianos y firmes covenanters, sin embargo, a pesar de una educación religiosa, posteriormente se convirtió en deísta. El abuelo de Watt, Thomas Watt 1642–1734, fue profesor de matemáticas, topografía y navegación y alguacil del Barón de Cartsburn.
Inicialmente Watt fue educado en casa por su madre, más tarde asistió a la Greenock Grammar School. Allí demostró aptitud para las matemáticas, mientras que el latín y el griego no le interesaban.
Se dice que sufrió prolongados períodos de mala salud en la infancia y dolores de cabeza frecuentes durante toda su vida.
Después de dejar la escuela, Watt trabajó en los talleres de los negocios de su padre, demostrando considerable destreza y habilidad en la creación de modelos de ingeniería. Después de que su padre sufriera algunos negocios sin éxito, Watt dejó Greenock para buscar empleo en Glasgow como fabricante de instrumentos matemáticos.
Biografía
Cuando tenía 18 años su madre murió y la salud de su padre comenzó a fallar. Watt viajó a Londres y logró obtener un período de capacitación como fabricante de instrumentos durante un año 1755/56, luego regresó a Escocia, estableciéndose en la importante ciudad comercial de Glasgow con la intención de establecer su propio negocio de fabricación de instrumentos. Era aún muy joven y al no haber tenido un aprendizaje completo, no tenía las conexiones usuales a través de un antiguo maestro para establecerse como jornalero fabricante de instrumentos.
Watt se salvó de este callejón sin salida por la llegada de Jamaica de instrumentos astronómicos legados por Alexander Macfarlane a la Universidad de Glasgow, instrumentos que requerían atención experta. Watt los restauró para que funcionaran correctamente y fue remunerado. Estos instrumentos fueron finalmente instalados en el Observatorio Macfarlane. Posteriormente, tres profesores le ofrecieron la oportunidad de establecer un pequeño taller dentro de la universidad. Fue iniciado en 1757 y dos de los profesores, el físico y químico Joseph Black así como el famoso Adam Smith, se convirtieron en amigos de Watt.
Al principio trabajó en el mantenimiento y reparación de instrumentos científicos utilizados en la universidad, ayudando con demostraciones y expandiendo la producción de cuadrantes. Fabricó y reparó cuadrantes de reflexión de latón, reglas paralelas, escalas, piezas para telescopios y barómetros, entre otras cosas.
A veces se afirma falsamente que tuvo dificultades para establecerse en Glasgow debido a la oposición de la Trades House, pero este mito ha sido completamente desmentido por el historiador Lumsden. Los registros de este período se han perdido, pero se sabe que pudo trabajar y comerciar completamente con normalidad como trabajador calificado del metal, por lo que la Incorporación de Herreros debe haber estado satisfecha de que cumpliera con sus requisitos de membresía. También se sabe que otras personas en los oficios del metal fueron perseguidas por trabajar sin ser miembros de la Incorporación bien entrada la década de 1800, por lo que las reglas definitivamente se estaban aplicando cuando Watt comerciaba libremente en toda la ciudad.
En 1759 formó una asociación con John Craig, un arquitecto y empresario, para fabricar y vender una línea de productos que incluía instrumentos musicales y juguetes. Esta asociación duró los siguientes seis años y empleó hasta dieciséis trabajadores. Craig murió en 1765. Un empleado, Alex Gardner, eventualmente se hizo cargo del negocio, que se prolongó hasta el siglo veinte.
En 1764, Watt se casó con su prima Margaret Peggy Miller, con quien tuvo cinco hijos, dos de los cuales llegaron a la edad adulta: James Jr. 1769–1848 y Margaret 1767–1796. Su esposa murió en el parto en 1772. En 1777 se casó nuevamente, con Ann MacGregor, hija de un tintorero de Glasgow, con quien tuvo dos hijos: Gregory 1777–1804, quien se convirtió en geólogo y mineralogista, y Janet 1779–1794. Ann murió en 1832. Entre 1777 y 1790 vivió en Regent Place, Birmingham.
Watt y la tetera
Existe una historia popular de que Watt fue inspirado a inventar el motor de vapor al ver una tetera hirviendo, el vapor obligando la tapa a subir y mostrando así a Watt el poder del vapor. Esta historia se cuenta de muchas formas; en algunas Watt es un joven muchacho, en otras es mayor, a veces es la tetera de su madre, a veces la de su tía. Watt no inventó realmente el motor de vapor, como la historia implica, sino que mejoró dramáticamente la eficiencia del motor Newcomen existente añadiendo un condensador separado. Esto es difícil de explicar a alguien no familiarizado con conceptos de calor y eficiencia térmica. Parece que la historia fue creada, posiblemente por el hijo de Watt, James Watt Jr., y persiste porque es fácil para los niños entender y recordar. A la luz de esto, puede verse como similar a la historia de Isaac Newton y la manzana que cae y su descubrimiento de la gravedad.
Aunque a menudo se descarta como un mito, la historia de Watt y la tetera tiene base en hechos. Al intentar comprender la termodinámica del calor y el vapor, James Watt realizó muchos experimentos de laboratorio y sus diarios registran que al conducir estos usó una tetera como caldera para generar vapor.
Primeros experimentos con vapor
En 1759 el amigo de Watt, John Robison, llamó su atención sobre el uso del vapor como fuente de potencia motriz. El diseño del motor Newcomen, en uso durante casi 50 años para bombear agua de minas, apenas había cambiado desde su primera implementación. Watt comenzó a experimentar con vapor, aunque nunca había visto un motor de vapor en funcionamiento. Intentó construir un modelo; no funcionó satisfactoriamente, pero continuó con sus experimentos y comenzó a leer todo lo que podía sobre el tema. Llegó a darse cuenta de la importancia del calor latente—la energía térmica liberada o absorbida durante un proceso de temperatura constante—en la comprensión del motor, que, desconocido para Watt, su amigo Joseph Black había descubierto previamente años antes. La comprensión del motor de vapor estaba en un estado muy primitivo, ya que la ciencia de la termodinámica no se formalizaría durante casi otros 100 años.
En 1763, se pidió a Watt que reparara un modelo de motor Newcomen que pertenecía a la universidad. Incluso después de la reparación, el motor apenas funcionaba. Después de mucha experimentación, Watt demostró que aproximadamente tres cuartas partes de la energía térmica del vapor se consumían en calentar el cilindro del motor en cada ciclo. Esta energía se desperdiciaba porque más tarde en el ciclo se inyectaba agua fría en el cilindro para condensar el vapor y reducir su presión. Por lo tanto, al calentar y enfriar repetidamente el cilindro, el motor desperdiciaba la mayor parte de su energía térmica en lugar de convertirla en energía mecánica.
La idea crítica de Watt, a la que llegó en mayo de 1765, fue hacer que el vapor se condensara en una cámara separada aparte del pistón, y mantener la temperatura del cilindro a la misma temperatura que el vapor inyectado rodeándolo con una "camisa de vapor". Así, muy poca energía fue absorbida por el cilindro en cada ciclo, dejando más disponible para realizar trabajo útil. Watt tenía un modelo en funcionamiento más tarde ese mismo año.
A pesar de un diseño potencialmente viable, aún había dificultades sustanciales en la construcción de un motor a escala completa. Esto requería más capital, parte del cual provino de Black. El apoyo más sustancial provino de John Roebuck, fundador de la célebre Carron Iron Works cerca de Falkirk, con quien ahora formó una asociación. Roebuck vivía en Kinneil House en Bo'ness, durante cuyo tiempo Watt trabajó en perfeccionar su motor de vapor en una cabaña adyacente a la casa. El caparazón de la cabaña y una parte muy grande de uno de sus proyectos, aún existen en la parte trasera.
La dificultad principal fue en el mecanizado del pistón y el cilindro. Los trabajadores del hierro de la época eran más como herreros que los maquinistas modernos, y eran incapaces de producir los componentes con precisión suficiente. Se gastó mucho capital en perseguir una patente de la invención de Watt. Sin recursos, Watt se vio obligado a aceptar empleo—primero como topógrafo, luego como ingeniero civil—durante ocho años.
Roebuck quebró, y Matthew Boulton, propietario de la fábrica Soho Manufactory cerca de Birmingham, adquirió sus derechos de patente. Una extensión de la patente hasta 1800 fue obtenida exitosamente en 1775.
A través de Boulton, Watt finalmente tuvo acceso a algunos de los mejores trabajadores del hierro del mundo. La dificultad de la fabricación de un cilindro grande con un pistón bien ajustado fue resuelta por John Wilkinson, quien había desarrollado técnicas de taladrado de precisión para la fabricación de cañones en Bersham, cerca de Wrexham, Gales del Norte. Watt y Boulton formaron una asociación enormemente exitosa, Boulton and Watt, que duró los siguientes veinticinco años.
Primeros motores
En 1776, los primeros motores fueron instalados y funcionando en empresas comerciales. Estos primeros motores fueron utilizados para alimentar bombas y produjeron solo movimiento alternativo para mover las varillas de la bomba en el fondo del pozo. El diseño fue comercialmente exitoso, y durante los próximos cinco años Watt fue muy activo instalando más motores, principalmente en Cornwall para bombear agua de las minas.
Estos primeros motores no fueron fabricados por Boulton and Watt, sino que fueron hechos por otros de acuerdo con dibujos realizados por Watt, quien se desempeñó como ingeniero consultor. La erección del motor y su puesta a punto fue supervisada por Watt, al principio, y luego por hombres empleados por la empresa. Estas eran máquinas grandes. La primera, por ejemplo, tenía un cilindro con un diámetro de unos 50 pulgadas y una altura total de aproximadamente 24 pies, y requería la construcción de un edificio dedicado para alojarlo. Boulton and Watt cobraban un pago anual, igual a un tercio del valor del carbón ahorrado en comparación con un motor Newcomen que realizaba el mismo trabajo.
El campo de aplicación de la invención se amplió enormemente cuando Boulton instó a Watt a convertir el movimiento alternativo del pistón para producir potencia rotacional para molienda, tejido y fresado. Aunque una manivela parecía la solución obvia para la conversión, Watt y Boulton fueron bloqueados por una patente para esto, cuyo titular, James Pickard, y asociados propusieron obtener licencia cruzada del condensador externo. Watt se opuso obstinadamente a esto y lo evitaron con su engranaje sol y planeta en 1781.
En los siguientes seis años, realizó una serie de otras mejoras y modificaciones al motor de vapor. Un motor de doble acción, en el cual el vapor actuaba alternativamente en los dos lados del pistón fue uno. Describió métodos para trabajar el vapor "expansivamente", es decir, usando vapor a presiones muy por encima de la atmósfera. Un motor compuesto, que conectaba dos o más motores fue descrito. Dos patentes más fueron otorgadas para estos en 1781 y 1782. Numerosas otras mejoras que facilitaban la fabricación e instalación fueron continuamente implementadas. Una de estas incluía el uso del indicador de vapor que producía un gráfico informativo de la presión en el cilindro contra
