Je ne peux penser à rien d'autre qu'à cette machine.
James Watt était un inventeur écossais, ingénieur mécanicien et chimiste qui a amélioré le moteur à vapeur Newcomen de 1712 de Thomas Newcomen avec son moteur à vapeur Watt en 1776, ce qui a été fondamental pour les changements apportés par la Révolution industrielle dans sa Grande-Bretagne natale et dans le reste du monde.
Alors qu'il travaillait comme fabricant d'instruments à l'Université de Glasgow, Watt s'est intéressé à la technologie des moteurs à vapeur. Il s'est rendu compte que les conceptions de moteurs contemporains gaspillaient beaucoup d'énergie en refroidissant et réchauffant à plusieurs reprises le cylindre. Watt a introduit une amélioration de la conception, le condenseur séparé, qui évitait ce gaspillage d'énergie et améliorait radicalement la puissance, l'efficacité et la rentabilité des moteurs à vapeur. Finalement, il a adapté son moteur pour produire un mouvement rotatif, élargissant considérablement son utilisation au-delà du pompage de l'eau.
Watt a tenté de commercialiser son invention, mais a connu de grandes difficultés financières jusqu'à ce qu'il entre en partenariat avec Matthew Boulton en 1775. La nouvelle entreprise Boulton and Watt a finalement connu un grand succès et Watt est devenu un homme riche. À la retraite, Watt a continué à développer de nouvelles inventions, bien qu'aucune n'ait été aussi importante que son travail sur le moteur à vapeur.
Il a développé le concept de la puissance en chevaux, et l'unité SI de puissance, le watt, a été nommée d'après lui.
Enfance et éducation
James Watt est né le 19 janvier 1736 à Greenock, Renfrewshire, l'aîné des cinq enfants survivants d'Agnes Muirhead 1703–1755 et de James Watt 1698–1782. Sa mère venait d'une famille distinguée, était bien éduquée et réputée pour son caractère énergique, tandis que son père était un charpentier de marine, propriétaire de navire et entrepreneur, et a servi comme principal bailli de Greenock en 1751. Les parents de Watt étaient presbytériens et de fervents Covenanters, cependant malgré une éducation religieuse, il est devenu plus tard déiste. Le grand-père de Watt, Thomas Watt 1642–1734, était professeur de mathématiques, d'arpentage et de navigation et bailli du Baron de Cartsburn.
Initialement, Watt a été éduqué à la maison par sa mère, puis a fréquenté l'école Greenock Grammar School. Là, il a montré des aptitudes pour les mathématiques, tandis que le latin et le grec ne l'intéressaient pas.
On dit qu'il a souffert de périodes prolongées de mauvaise santé pendant l'enfance et de maux de tête fréquents tout au long de sa vie.
Après avoir quitté l'école, Watt a travaillé dans les ateliers des entreprises de son père, démontrant une dextérité et un savoir-faire considérables dans la création de modèles d'ingénierie. Après que son père ait connu certaines aventures commerciales malheureuses, Watt a quitté Greenock pour chercher un emploi à Glasgow en tant que fabricant d'instruments mathématiques.
Biographie
Lorsqu'il avait 18 ans, sa mère est décédée et la santé de son père a commencé à décliner. Watt s'est rendu à Londres et a pu obtenir une période de formation de un an comme fabricant d'instruments 1755/56, puis est retourné en Écosse, s'installant dans la grande ville commerciale de Glasgow avec l'intention de créer sa propre entreprise de fabrication d'instruments. Il était encore très jeune et n'ayant pas eu d'apprentissage complet, il n'avait pas les relations habituelles via un ancien maître pour s'établir comme ouvrier fabricant d'instruments.
Watt a été sauvé de cette impasse par l'arrivée de la Jamaïque d'instruments astronomiques légués par Alexander Macfarlane à l'Université de Glasgow, des instruments qui nécessitaient une expertise. Watt les a restaurés en état de fonctionnement et a été rémunéré. Ces instruments ont finalement été installés à l'Observatoire Macfarlane. Par la suite, trois professeurs lui ont offert l'opportunité de mettre en place un petit atelier au sein de l'université. Il a été initié en 1757 et deux des professeurs, le physicien et chimiste Joseph Black ainsi que le célèbre Adam Smith, sont devenus les amis de Watt.
Au début, il a travaillé à l'entretien et à la réparation d'instruments scientifiques utilisés à l'université, aidant aux démonstrations et élargissant la production de quadrants. Il a fabriqué et réparé des quadrants à réflexion en laiton, des règles parallèles, des échelles, des pièces pour télescopes et des baromètres, entre autres.
On affirme parfois à tort qu'il a eu du mal à s'établir à Glasgow en raison de l'opposition de la Trades House, mais ce mythe a été complètement démenti par l'historien Lumsden. Les archives de cette période sont perdues, mais il est connu qu'il a pu travailler et commercer complètement normalement en tant que travailleur du métal qualifié, donc l'Incorporation of Hammermen doit avoir été satisfaite qu'il réponde à leurs exigences d'adhésion. On sait également que d'autres personnes dans les métaux du métal ont été poursuivies pour avoir travaillé sans être membres de l'Incorporation bien au XIXe siècle, donc les règles étaient définitivement appliquées lorsque Watt commerçait librement dans toute la ville.
En 1759, il a formé un partenariat avec John Craig, un architecte et homme d'affaires, pour fabriquer et vendre une gamme de produits incluant des instruments de musique et des jouets. Ce partenariat a duré les six années suivantes et a employé jusqu'à seize travailleurs. Craig est décédé en 1765. Un employé, Alex Gardner, a finalement repris l'entreprise, qui a duré jusqu'au vingtième siècle.
En 1764, Watt a épousé sa cousine Margaret Peggy Miller, avec qui il a eu cinq enfants, dont deux ont atteint l'âge adulte : James Jr. 1769–1848 et Margaret 1767–1796. Sa femme est décédée en couches en 1772. En 1777, il s'est marié à nouveau, avec Ann MacGregor, fille d'un teinturier de Glasgow, avec qui il a eu deux enfants : Gregory 1777–1804, qui est devenu géologue et minéralogiste, et Janet 1779–1794. Ann est décédée en 1832. Entre 1777 et 1790, il a vécu à Regent Place, Birmingham.
Watt et la bouilloire
Il existe une histoire populaire selon laquelle Watt aurait été inspiré pour inventer le moteur à vapeur en voyant une bouilloire bouillir, la vapeur forçant le couvercle à se soulever et montrant ainsi à Watt la puissance de la vapeur. Cette histoire est racontée sous de nombreuses formes ; dans certaines, Watt est un jeune garçon, dans d'autres il est plus âgé, parfois c'est la bouilloire de sa mère, parfois celle de sa tante. Watt n'a pas vraiment inventé le moteur à vapeur, comme l'histoire le suggère, mais a considérablement amélioré l'efficacité du moteur Newcomen existant en ajoutant un condenseur séparé. Cela est difficile à expliquer à quelqu'un qui ne connaît pas les concepts de chaleur et d'efficacité thermique. Il semble que l'histoire ait été créée, possiblement par le fils de Watt, James Watt Jr., et persiste parce qu'elle est facile à comprendre et à retenir pour les enfants. En cette lumière, on peut la voir comme similaire à l'histoire d'Isaac Newton et de la pomme qui tombe et sa découverte de la gravité.
Bien qu'il soit souvent rejeté comme un mythe, l'histoire de Watt et la bouilloire a une base factuelle. Essayant de comprendre la thermodynamique de la chaleur et de la vapeur, James Watt a effectué de nombreuses expériences en laboratoire et ses journaux enregistrent que pour les conduire, il a utilisé une bouilloire comme chaudière pour générer de la vapeur.
Premières expériences avec la vapeur
En 1759, l'ami de Watt, John Robison, a attiré son attention sur l'utilisation de la vapeur comme source de puissance motrice. La conception du moteur Newcomen, en usage depuis près de 50 ans pour pomper de l'eau des mines, avait à peine changé depuis sa première implémentation. Watt a commencé à faire des expériences avec la vapeur, bien qu'il n'ait jamais vu un moteur à vapeur en fonctionnement. Il a essayé de construire un modèle ; il n'a pas fonctionné de manière satisfaisante, mais il a poursuivi ses expériences et a commencé à lire tout ce qu'il pouvait sur le sujet. Il a réalisé l'importance de la chaleur latente—l'énergie thermique libérée ou absorbée pendant un processus à température constante—pour comprendre le moteur, ce qui, à l'insu de Watt, son ami Joseph Black avait précédemment découvert quelques années auparavant. La compréhension du moteur à vapeur était dans un état très primitif, car la science de la thermodynamique ne serait formalisée que près de 100 ans plus tard.
En 1763, Watt a été demandé de réparer un modèle de moteur Newcomen appartenant à l'université. Même après réparation, le moteur fonctionnait à peine. Après de nombreuses expériences, Watt a démontré qu'environ trois quarts de l'énergie thermique de la vapeur était consommée en chauffant le cylindre du moteur à chaque cycle. Cette énergie était gaspillée parce que plus tard dans le cycle, de l'eau froide était injectée dans le cylindre pour condenser la vapeur afin de réduire sa pression. Ainsi, en chauffant et refroidissant à plusieurs reprises le cylindre, le moteur gaspillait la plupart de son énergie thermique au lieu de la convertir en énergie mécanique.
L'idée critique de Watt, arrivée en mai 1765, était de faire condenser la vapeur dans une chambre séparée en dehors du piston, et de maintenir la température du cylindre à la même température que la vapeur injectée en l'entourant d'une « chemise à vapeur ». Ainsi très peu d'énergie a été absorbée par le cylindre à chaque cycle, rendant plus disponible pour effectuer un travail utile. Watt avait un modèle fonctionnel plus tard cette même année.
Malgré une conception potentiellement viable, il y avait encore des difficultés substantielles dans la construction d'un moteur à grande échelle. Cela nécessitait plus de capital, dont une partie provenait de Black. Un soutien plus important venait de John Roebuck, le fondateur de la célèbre Carron Iron Works près de Falkirk, avec qui il a maintenant formé un partenariat. Roebuck vivait à Kinneil House à Bo'ness, période pendant laquelle Watt a travaillé au perfectionnement de son moteur à vapeur dans un cottage adjacent à la maison. La coquille du cottage, et une très grande partie de l'un de ses projets, existent toujours à l'arrière.
La difficulté principale était l'usinage du piston et du cylindre. Les travailleurs du fer de l'époque ressemblaient plus à des forgerons qu'à des usineurs modernes, et étaient incapables de produire les composants avec une précision suffisante. Beaucoup de capital a été dépensé pour poursuivre un brevet sur l'invention de Watt. À court de ressources, Watt a été forcé de prendre un emploi—d'abord comme arpenteur, puis comme ingénieur civil—pendant huit ans.
Roebuck a fait faillite, et Matthew Boulton, qui était propriétaire des usines Soho Manufactory près de Birmingham, a acquis ses droits de brevet. Une extension du brevet à 1800 a été obtenue avec succès en 1775.
Grâce à Boulton, Watt a finalement eu accès à certains des meilleurs travailleurs du fer du monde. La difficulté de la fabrication d'un grand cylindre avec un piston bien ajusté a été résolue par John Wilkinson, qui avait développé des techniques de forage de précision pour la fabrication de canons à Bersham, près de Wrexham, au Pays de Galles du Nord. Watt et Boulton ont formé un partenariat extrêmement réussi, Boulton and Watt, qui a duré les vingt-cinq années suivantes.
Premiers moteurs
En 1776, les premiers moteurs ont été installés et fonctionnaient dans des entreprises commerciales. Ces premiers moteurs ont été utilisés pour alimenter les pompes et ont produit uniquement un mouvement alternatif pour déplacer les tiges de pompe au fond de l'arbre. La conception a été un succès commercial, et pendant les cinq années suivantes, Watt a été très occupé à installer plus de moteurs, principalement en Cornouailles pour pomper l'eau des mines.
Ces premiers moteurs n'ont pas été fabriqués par Boulton and Watt, mais ont été réalisés par d'autres selon les dessins réalisés par Watt, qui a servi dans le rôle d'ingénieur-conseil. L'érection du moteur et sa mise en service ont d'abord été supervisées par Watt, puis par des hommes au service de l'entreprise. C'étaient de grandes machines. La première, par exemple, avait un cylindre d'un diamètre d'environ 50 pouces et d'une hauteur totale d'environ 24 pieds, et nécessitait la construction d'un bâtiment dédié pour le loger. Boulton and Watt facturaient un paiement annuel, égal à un tiers de la valeur du charbon économisé par rapport à un moteur Newcomen effectuant le même travail.
Le champ d'application de l'invention a été considérablement élargi lorsque Boulton a exhorté Watt à convertir le mouvement alternatif du piston pour produire une puissance rotationnelle pour le meulage, le tissage et le fraisage. Bien qu'une manivelle semblait la solution évidente à la conversion, Watt et Boulton ont été bloqués par un brevet pour cela, dont le détenteur, James Pickard, et associés proposaient de faire une double licence du condenseur externe. Watt s'y est fermement opposé et ils ont contourné le brevet par leur engrenage soleil-planète en 1781.
Au cours des six années suivantes, il a apporté un certain nombre d'autres améliorations et modifications au moteur à vapeur. Un moteur à double effet, dans lequel la vapeur agissait alternativement des deux côtés du piston, en était un. Il a décrit des méthodes pour faire fonctionner la vapeur « de manière extensive », c'est-à-dire en utilisant la vapeur à des pressions bien au-dessus de l'atmosphérique. Un moteur composé, qui reliait deux moteurs ou plus, a été décrit. Deux brevets supplémentaires ont été accordés pour ceux-ci en 1781 et 1782. De nombreuses autres améliorations qui ont facilité la fabrication et l'installation ont été continuellement mises en œuvre. L'une d'elles incluait l'utilisation de l'indicateur à vapeur qui produisait un graphique informatif de la pression dans le cylindre contre
