Non riesco a pensare a nient'altro che a questa macchina.
James Watt era un inventore scozzese, ingegnere meccanico e chimico che migliorò la macchina a vapore Newcomen del 1712 con il suo motore a vapore Watt nel 1776, che fu fondamentale per i cambiamenti portati dalla Rivoluzione Industriale sia nella sua nativa Gran Bretagna che nel resto del mondo.
Mentre lavorava come costruttore di strumenti presso l'Università di Glasgow, Watt divenne interessato alla tecnologia dei motori a vapore. Si rese conto che i progetti dei motori contemporanei sprecavano una grande quantità di energia raffreddando e riscaldando ripetutamente il cilindro. Watt introdusse un miglioramento progettuale, il condensatore separato, che evitava questo spreco di energia e migliorava radicalmente la potenza, l'efficienza e la redditività dei motori a vapore. Infine adattò il suo motore per produrre un movimento rotatorio, ampliando notevolmente il suo utilizzo oltre il pompaggio dell'acqua.
Watt ha tentato di commercializzare la sua invenzione, ma ha incontrato grandi difficoltà finanziarie fino a quando non ha stretto una partnership con Matthew Boulton nel 1775. La nuova azienda Boulton e Watt alla fine ebbe un grande successo e Watt divenne un uomo ricco. Durante il ritiro, Watt ha continuato a sviluppare nuove invenzioni, sebbene nessuna fosse significativa come il suo lavoro sul motore a vapore.
Ha sviluppato il concetto di cavalli vapore, e l'unità SI di potenza, il watt, è stata nominata in suo onore.
Prima infanzia e istruzione
James Watt nacque il 19 gennaio 1736 a Greenock, Renfrewshire, il maggiore dei cinque figli sopravvissuti di Agnes Muirhead 1703–1755 e James Watt 1698–1782. Sua madre proveniva da una famiglia distinta, era ben istruita e si dice fosse di carattere forte, mentre suo padre era un costruttore navale, armatore e appaltatore, e servì come principale balivo di Greenock nel 1751. I genitori di Watts erano presbiteriani e forti Covenanters, tuttavia nonostante un'educazione religiosa in seguito divenne deista. Il nonno di Watt, Thomas Watt 1642–1734, era un insegnante di matematica, rilevamento e navigazione e balivo del Barone di Cartsburn.
Inizialmente Watt fu educato a casa da sua madre, in seguito frequentò la Greenock Grammar School. Lì dimostrò un'attitudine per la matematica, mentre il latino e il greco non lo interessavano.
Si dice che abbia sofferto di prolungati periodi di cattiva salute da bambino e di frequenti mal di testa per tutta la vita.
Dopo aver lasciato la scuola Watt lavorò nei laboratori delle attività di suo padre, dimostrando una notevole destrezza e abilità nella creazione di modelli ingegneristici. Dopo che suo padre subì alcuni insuccessi negli affari, Watt lasciò Greenock per cercare lavoro a Glasgow come costruttore di strumenti matematici.
Biografia
Quando aveva 18 anni sua madre morì e la salute di suo padre iniziò a peggiorare. Watt viaggiò a Londra e riuscì a ottenere un periodo di formazione come costruttore di strumenti per un anno 1755/56, poi tornò in Scozia, stabilendosi nella grande città commerciale di Glasgow intenzionato a creare il proprio negozio di costruzione di strumenti. Era ancora molto giovane e non avendo avuto un completo apprendistato non aveva le solite connessioni tramite un ex maestro per stabilirsi come journeyman costruttore di strumenti.
Watt fu salvato da questo impasse dall'arrivo dalla Giamaica di strumenti astronomici lasciati in eredità da Alexander Macfarlane all'Università di Glasgow, strumenti che richiedevano un'attenzione esperta. Watt li ripristinò al funzionamento e fu remunerato. Questi strumenti furono infine installati nell'Osservatorio Macfarlane. Successivamente, tre professori gli offrirono l'opportunità di allestire un piccolo laboratorio all'interno dell'università. Fu avviato nel 1757 e due dei professori, il fisico e chimico Joseph Black così come il famoso Adam Smith, divennero amici di Watt.
All'inizio lavorò alla manutenzione e riparazione di strumenti scientifici utilizzati nell'università, aiutando con le dimostrazioni e ampliando la produzione di quadranti. Ha realizzato e riparato quadranti riflettenti in ottone, righelli paralleli, scale, parti per telescopi e barometri, tra le altre cose.
A volte è falsamente affermato che ha faticato a stabilirsi a Glasgow a causa dell'opposizione della Trades House, ma questo mito è stato completamente smentito dallo storico Lumsden. I registri di questo periodo sono perduti ma è noto che poteva lavorare e commerciare completamente normalmente come operaio metallico qualificato, quindi l'Incorporation of Hammermen deve aver ritenuto che soddisfacesse i loro requisiti per l'iscrizione. È anche noto che altre persone nei mestieri metallici furono perseguite per aver lavorato senza essere membri dell'Incorporation ben dentro il XIX secolo, quindi le regole erano definitivamente applicate quando Watt commerciava liberamente in tutta la città.
Nel 1759 formò una partnership con John Craig, un architetto e uomo d'affari, per fabbricare e vendere una linea di prodotti che includeva strumenti musicali e giocattoli. Questa partnership durò per i sei anni successivi e impiegò fino a sedici lavoratori. Craig morì nel 1765. Un dipendente, Alex Gardner, alla fine subentrò nell'azienda, che durò fino al ventesimo secolo.
Nel 1764, Watt sposò sua cugina Margaret Peggy Miller, con cui ebbe cinque figli, due dei quali raggiunsero l'età adulta: James Jr. 1769–1848 e Margaret 1767–1796. Sua moglie morì di parto nel 1772. Nel 1777 si sposò di nuovo, con Ann MacGregor, figlia di un tintore di Glasgow, con cui ebbe due figli: Gregory 1777–1804, che divenne geologo e mineralogista, e Janet 1779–1794. Ann morì nel 1832. Tra il 1777 e il 1790 visse a Regent Place, Birmingham.
Watt e il bollitore
C'è una storia popolare che Watt fu ispirato a inventare il motore a vapore dopo aver visto un bollitore che bolle, il vapore che forza il coperchio a sollevarsi e così mostra a Watt la potenza del vapore. Questa storia è raccontata in molte forme; in alcuni Watt è un giovane ragazzo, in altri è più vecchio, a volte è il bollitore di sua madre, a volte di sua zia. Watt non ha effettivamente inventato il motore a vapore, come la storia implica, ma ha drammaticamente migliorato l'efficienza del motore Newcomen esistente aggiungendo un condensatore separato. Questo è difficile da spiegare a qualcuno non familiare con i concetti di calore e efficienza termica. Sembra che la storia sia stata creata, possibilmente dal figlio di Watt James Watt Jr., e persiste perché è facile per i bambini comprenderla e ricordarla. In questa luce può essere vista come simile alla storia di Isaac Newton e della mela che cade e la sua scoperta della gravità.
Sebbene sia spesso scartata come un mito, la storia di Watt e il bollitore ha una base di fatto. Nel tentativo di comprendere la termodinamica del calore e del vapore James Watt ha condotto molti esperimenti di laboratorio e i suoi diari registrano che nel condurre questi ha usato un bollitore come caldaia per generare vapore.
I primi esperimenti con il vapore
Nel 1759 l'amico di Watt, John Robison, ha attirato la sua attenzione sull'uso del vapore come fonte di potenza motrice. Il design del motore Newcomen, in uso per quasi 50 anni per pompare acqua dalle miniere, era a malapena cambiato dalla sua prima implementazione. Watt iniziò a sperimentare con il vapore, sebbene non avesse mai visto un motore a vapore in funzione. Ha provato a costruire un modello; non ha funzionato in modo soddisfacente, ma ha continuato i suoi esperimenti e iniziato a leggere tutto quello che poteva sull'argomento. Arrivò a realizzare l'importanza del calore latente—l'energia termica rilasciata o assorbita durante un processo a temperatura costante—nella comprensione del motore, che, sconosciuto a Watt, il suo amico Joseph Black aveva precedentemente scoperto anni prima. La comprensione del motore a vapore era in uno stato molto primitivo, poiché la scienza della termodinamica non sarebbe stata formalizzata per quasi altri 100 anni.
Nel 1763, Watt fu incaricato di riparare un modello di motore Newcomen appartenente all'università. Anche dopo la riparazione, il motore funzionava a malapena. Dopo molti esperimenti, Watt dimostrò che circa tre quarti dell'energia termica del vapore era stata consumata nel riscaldamento del cilindro del motore ad ogni ciclo. Questa energia è stata sprecata perché più avanti nel ciclo l'acqua fredda è stata iniettata nel cilindro per condensare il vapore per ridurne la pressione. Quindi riscaldando e raffreddando ripetutamente il cilindro, il motore ha sprecato la maggior parte della sua energia termica piuttosto che convertirla in energia meccanica.
L'intuizione critica di Watt, raggiunta nel maggio 1765, era di far condensare il vapore in una camera separata separata dal pistone, e di mantenere la temperatura del cilindro alla stessa temperatura del vapore iniettato circondandolo con una "camicia di vapore". Così molto poca energia è stata assorbita dal cilindro ad ogni ciclo, rendendo più disponibile per svolgere lavoro utile. Watt aveva un modello funzionante più tardi quello stesso anno.
Nonostante un design potenzialmente praticabile, c'erano ancora sostanziali difficoltà nella costruzione di un motore in scala reale. Ciò richiedeva più capitale, parte del quale proveniva da Black. Un sostegno più sostanziale proveniva da John Roebuck, fondatore della celebre Carron Iron Works vicino a Falkirk, con il quale ora ha formato una partnership. Roebuck viveva a Kinneil House a Bo'ness, durante il quale tempo Watt lavorò al perfezionamento del suo motore a vapore in un cottage adiacente alla casa. Il guscio del cottage, e una gran parte di uno dei suoi progetti, esistono ancora nel retro.
La principale difficoltà era nella lavorazione del pistone e del cilindro. I ferraioli dell'epoca erano più simili a fabbri che ai moderni tornitore, e non erano in grado di produrre i componenti con sufficiente precisione. Molto capitale è stato speso nel perseguimento di un brevetto per l'invenzione di Watt. A corto di risorse, Watt è stato costretto a trovare lavoro—prima come agrimensore, poi come ingegnere civile—per otto anni.
Roebuck è andato in bancarotta, e Matthew Boulton, che possedeva le opere della Soho Manufactory vicino a Birmingham, acquisì i suoi diritti di brevetto. Un'estensione del brevetto al 1800 è stata ottenuta con successo nel 1775.
Attraverso Boulton, Watt finalmente ebbe accesso ad alcuni dei migliori operai metallurgici del mondo. La difficoltà della fabbricazione di un grande cilindro con un pistone ben aderente è stata risolta da John Wilkinson, che aveva sviluppato tecniche di foratura di precisione per la fabbricazione di cannoni a Bersham, vicino a Wrexham, Galles del Nord. Watt e Boulton formarono una partnership enormemente riuscita, Boulton e Watt, che durò per i prossimi venticinque anni.
I primi motori
Nel 1776, i primi motori furono installati e funzionanti in attività commerciali. Questi primi motori erano usati per alimentare pompe e producevano solo movimento alternativo per muovere le aste della pompa sul fondo dell'albero. Il design era commercialmente di successo, e per i prossimi cinque anni Watt è stato molto occupato nell'installare più motori, principalmente in Cornovaglia per pompare acqua fuori dalle miniere.
Questi primi motori non erano fabbricati da Boulton e Watt, ma erano realizzati da altri secondo i disegni realizzati da Watt, che servì nel ruolo di ingegnere consulente. L'erettore del motore e il suo avviamento sono stati supervisionati da Watt, inizialmente, e poi da uomini impiegati nell'azienda. Queste erano macchine grandi. La prima, ad esempio, aveva un cilindro con un diametro di circa 50 pollici e un'altezza complessiva di circa 24 piedi, e richiedeva la costruzione di un edificio dedicato per ospitarlo. Boulton e Watt hanno applicato un pagamento annuale, equivalente a un terzo del valore del carbone risparmiato rispetto a un motore Newcomen che esegue lo stesso lavoro.
Il campo di applicazione dell'invenzione è stato notevolmente ampliato quando Boulton ha esortato Watt a convertire il movimento alternativo del pistone per produrre potenza rotazionale per macinazione, tessitura e fresatura. Sebbene una manovella sembrasse la soluzione ovvia per la conversione Watt e Boulton sono stati bloccati da un brevetto per questo, il cui detentore, James Pickard, e gli associati hanno proposto di cross-licenziare il condensatore esterno. Watt si è fermamente opposto a questo e hanno aggirato il brevetto con il loro sole e l'ingranaggio planetario nel 1781.
Nel corso dei prossimi sei anni, ha apportato una serie di altri miglioramenti e modifiche al motore a vapore. Un motore a doppia azione, in cui il vapore agiva alternativamente su due lati del pistone era uno. Ha descritto i metodi per far funzionare il vapore "in modo espansivo" cioè, usando vapore a pressioni ben al di sopra dell'atmosfera. Un motore composto, che collegava due o più motori è stato descritto. Due brevetti in più sono stati concessi per questi nel 1781 e 1782. Numerosi altri miglioramenti che hanno facilitato la fabbricazione e l'installazione sono stati continuamente implementati. Uno di questi includeva l'uso dell'indicatore di vapore che ha prodotto un grafico informativo della pressione nel cilindro contro
