私はこの機械のことばかり考えている。
James Wattはスコットランドの発明家、機械技術者、化学者で、1776年に彼のWatt蒸気機関によってThomas Newcomenの1712年Newcomen蒸気機関を改善しました。この改善は、彼の母国であるGreat Britainと世界の他の地域の両方において産業革命がもたらした変化の基礎となりました。
University of Glasgowの機器製造職人として働く際に、Wattは蒸気機関の技術に関心を持つようになりました。彼は、現代の機関設計がシリンダーを繰り返し冷却および再加熱することによって大量のエネルギーを浪費していることに気づきました。Wattは設計上の改善である別式凝縮器を導入し、このエネルギー浪費を回避し、蒸気機関の電力、効率、費用対効果を根本的に改善しました。最終的に彼は機関を適応させて回転運動を産生し、ポンプ水以上にその用途を大幅に拡大しました。
Wattは彼の発明を商業化しようとしましたが、1775年にMatthew Boultonとのパートナーシップに入るまで大きな経済的困難を経験しました。Boulton and Wattの新しい企業は最終的に非常に成功し、Wattは富裕な人物となりました。彼の退職後も、Wattは新しい発明を開発し続けましたが、その蒸気機関の仕事ほど重要なものはありませんでした。
彼は馬力の概念を開発し、SIの電力単位であるwattは彼にちなんで名付けられました。
初期の生活と教育
James Wattは1736年1月19日にRenfrewshireのGreenockで生まれました。彼はAgnes Muirhead 1703–1755とJames Watt 1698–1782の生存した5人の子供のうち最年長でした。彼の母親は著名な家族出身で、よく教育を受けており、強い性格の持ち主であると言われていました。一方、彼の父親は造船職人、船舶所有者、請負業者であり、1751年にGreenockの主任裁判官を務めました。Wattの両親はプレスビテリアンで熱心なCovenanter派でしたが、宗教的な育成にもかかわらず、後に彼は理神論者になりました。Wattの祖父であるThomas Watt 1642–1734は、数学、測量、航法の教師であり、Cartsburn男爵の裁判官でした。
最初、Wattは母親によって自宅で教育を受け、その後Greenock Grammar Schoolに通いました。そこで彼は数学の適性を示しましたが、ラテン語とギリシャ語は彼の関心を引きませんでした。
彼は子供の時に病気が長く続き、生涯を通じて頻繁に頭痛に苦しんだと言われています。
学校を去った後、Wattは父親の企業のワークショップで働き、エンジニアリングモデルを作成する際にかなりの器用さとスキルを示しました。彼の父親がいくつかの失敗した事業経営を経験した後、WattはGreenockを去って、Glasgowで数学機器製造職人としての雇用を求めました。
伝記
彼が18歳の時に母親が亡くなり、父親の健康が悪化し始めました。Wattはロンドンに旅行し、1755/56年に機器製造職人として1年間の訓練期間を得ることができ、その後スコットランドに戻り、主要な商業都市であるGlasgowに定住して、自分自身の機器製造事業を設立することを意図していました。彼はまだ非常に若く、完全な見習い期間を経ていなかったため、前の親方を通じた通常のつながりを持っていなかったため、労働者としての機器製造職人として身を確立していませんでした。
WattはJamaicaからの天文機器がAlexander MacfarlaneによってUniversity of Glasgowに遺贈されたため、この行き止まりから救われました。これらの機器は専門家の注意が必要でした。Wattはそれらを動作状態に復元され、報酬を受けました。これらの機器は最終的にMacfarlane Observatoryに設置されました。その後、3人の教授が彼に大学内に小さなワークショップを設立する機会を提供しました。1757年に開始され、物理学者および化学者であるJoseph Blackと有名なAdam Smithの2人の教授がWattの友人になりました。
最初、彼は大学で使用されている科学機器の保守と修理に取り組み、デモンストレーションを支援し、象限儀の製造を拡大しました。彼は真鍮製の反射象限儀、平行定規、スケール、望遠鏡の部品、気圧計など、多くのものを製造および修理しました。
彼がTrades Houseの反対のためにGlasgowで身を確立するのに苦労したと述べられることがありますが、この神話は歴史家Lumsdenkによって完全に反論されています。この期間の記録は失われていますが、熟練した金属加工職人として完全に正常に働いて取引することができたことが知られているため、Incorporation of Hammermenは彼がメンバーシップの要件を満たしていることに満足していたはずです。また、他の金属貿易の人々が19世紀初期までIncorporationのメンバーではなく働いているために追跡されたことも知られているため、Wattが都市全体で自由に取引していた時に規則は確実に実行されていました。
1759年に彼は建築家およびビジネスマンであるJohn Craigとパートナーシップを形成し、楽器やおもちゃを含む製品ラインの製造と販売を行いました。このパートナーシップは次の6年間続き、最大16人の労働者を雇用していました。Craigは1765年に亡くなりました。従業員の1人であるAlex Gardnerは最終的に事業を引き継ぎ、20世紀まで続きました。
1764年に、Wattは彼の従妹Margaret Peggy Millerと結婚し、5人の子供がいました。そのうち2人が成人に達しました：James Jr. 1769–1848とMargaret 1767–1796。彼の妻は1772年に出産時に亡くなりました。1777年に彼は再び結婚し、Glasgow染料職人の娘であるAnn MacGregorと結婚し、2人の子供がいました：Gregory 1777–1804（地質学者および鉱物学者になった）とJanet 1779–1794。Annは1832年に亡くなりました。1777年から1790年の間に彼はBirminghamのRegent Placeに住んでいました。
Wattと湯沸し器
Wattが沸騰しているポットを見ることで蒸気機関を発明するように触発されたという人気のある話があります。蒸気がふたを上昇させ、したがってWattに蒸気の力を示しています。この話は多くの形式で語られています。いくつかではWattは若い男の子です。その他では彼は年上です。時々それは彼の母親の湯沸し器です。時々それは彼の叔母のものです。Wattは実際に話が意味するように蒸気機関を発明しませんでしたが、別式凝縮器を追加することで既存のNewcomen機関の効率を劇的に改善しました。これは熱および熱効率の概念に精通していない人に説明するのは難しいです。この話は、おそらくWattの息子James Watt Jr.によって作成されたようであり、それは子供たちが理解して記憶するのが簡単であるため続きます。この観点では、Isaac Newtonと落下するリンゴと彼の重力の発見の話に類似していると見ることができます。
Wattと湯沸し器の話はしばしば神話として却下されていますが、事実に基づいています。熱と蒸気の熱力学を理解しようとする際に、James Wattは多くの実験室実験を実施し、彼の日記は彼がこれらを実施する際に湯沸し器をボイラーとして蒸気を生成するために使用したことを記録しています。
蒸気を使用した初期の実験
1759年に、Wattの友人であるJohn Robisonが彼の注意を動力源としての蒸気の使用に呼び掛けました。鉱山から水をポンプで送るために約50年間使用されていたNewcomen機関の設計は、その最初の実装からほとんど変わっていませんでした。Wattは蒸気で実験を始めましたが、動作している蒸気機関を見たことがありませんでした。彼はモデルを構築しようとしました。それは満足に機能することに失敗しましたが、彼は彼の実験を続け、主題について彼ができるすべてを読み始めました。彼は潜熱（一定温度プロセス中に放出または吸収された熱エネルギー）を理解することの重要性に気づきました。Wattは知らなかったのに、彼の友人Joseph Blackは数年前に以前発見していました。蒸気機関の理解は非常に初期の段階にありました。熱力学の科学はほぼ100年後には形式化されないでしょう。
1763年に、Wattは大学に属するNewcomen機関のモデルを修理するよう求められました。修理後でも、機関はほとんど機能しませんでした。多くの実験の後、Wattは蒸気の熱エネルギーの約4分の3がすべてのサイクルでエンジンシリンダーを加熱することで消費されていることを実証しました。このエネルギーは浪費されました。なぜなら、後でサイクルで冷たい水がシリンダーに注入されて蒸気を凝縮し、圧力を低下させるからです。したがって、シリンダーを繰り返し加熱および冷却することによって、機関は機械的エネルギーに変換するのではなく、熱エネルギーのほとんどを浪費しました。
Wattの重要な洞察は1765年5月に到達し、蒸気をピストンと離れた別の部屋で凝縮させ、「蒸気ジャケット」で囲むことによってシリンダーの温度を注入された蒸気と同じ温度に保つことでした。したがって、シリンダー上の非常にわずかなエネルギーが各サイクルで吸収され、有用な仕事を実行するためにより多くが利用可能になります。Wattはその同じ年に後で動作するモデルを持っていました。
潜在的に実行可能な設計にもかかわらず、大規模な機関の構築にはまだかなりの困難がありました。これはより多くの資本が必要でした。その一部はBlackから来ました。より大量の支援はFalkirの近くの有名なCarron Iron Worksの創設者であるJohn Roebuckから来ました。彼は今彼とのパートナーシップを形成しました。RoebuckはBo'nessのKinneil Houseに住んでいましたが、Wattはこの間に家の隣の小屋で彼の蒸気機関を完成させるために働きました。小屋のシェルと彼のプロジェクトの大部分は依然として背後に存在します。
主な困難はピストンとシリンダーの機械加工にありました。その時代の鉄工業者は現代の機械工よりも黒鍛冶屋のようであり、十分な精度でコンポーネントを生産することができませんでした。多くの資本がWattの発明に関する特許を追求することに費やされました。リソースが不足している場合、Wattは雇用を取り上げることを余儀なくされました。最初は測量者として、次に土木技術者として8年間です。
Roebuckは破産し、BirminghamのSoho Manufacturactoryワークスを所有していたMatthew Boultonが彼の特許権を取得しました。1800年までの特許の延長は1775年に正常に取得されました。
Boultonを通じて、Wattは最終的に世界で最高の鉄工業者の一部にアクセスできました。North WalesのBershamで大砲製造のための精密なボーリング技術を開発していたJohn Wilkinsonによって、密着するピストンを備えた大きなシリンダーの製造の困難が解決されました。Wattニバルトンは非常に成功したパートナーシップ、Boulton and Wattを形成し、次の25年間続きました。
最初のエンジン
1776年に、最初のエンジンが商業企業に設置され、機能していました。これらの最初のエンジンはポンプに電力を供給するために使用され、シャフトの底部のポンプロッドを移動させるためにのみ往復運動を生成しました。設計は商業的に成功し、次の5年間、Wattは、主にコーンウォールの鉱山から水をポンプで送るため、より多くのエンジンのインストールが非常に忙しかったです。
これらの初期のエンジンはBoulton and Wattによって製造されませんでしたが、Wattによって作成された図に従って他の人によって作成されました。Wattは相談エンジニアの役割を果たしました。エンジンの建立とそのシェイクダウンは、Wattによって最初に監督され、その後、企業の雇用の男性によって監督されました。これらは大きな機械でした。たとえば、最初の機械は直径約50インチのシリンダーと約24フィートの全体的な高さを持ち、それを収容するための専用建物の建設が必要でした。Boulton and Wattは年間支払いを請求しました。これは、同じ仕事を実行しているNewcomen機関と比較して石炭で節約された値の3分の1に相当します。
発明の適用範囲は、Boultonがピストンの往復運動を回転力に変換して、粉砕、織機、製粉を生成するようにWattに促した時に大幅に拡大されました。クランクはその変換に明らかな解決策と思われましたが、WattとBoultonはこのための特許によって停滞していました。その所有者であるJames Pickardおよび関連企業は、外部凝縮器をクロスライセンスすることを提案しました。Wattはこれに強く反対し、1781年に彼らの太陽と惑星のギアによって特許を回避しました。
次の6年間で、彼は蒸気機関に多くの他の改善と変更を行いました。ピストンの両側で蒸気が交互に作用した二重作用機関が1つでした。彼は蒸気を「展張的に」機能させるための方法を説明しました。つまり、大気圧をはるかに上回る圧力で蒸気を使用しています。2つ以上のエンジンを接続した化合エンジンが説明されました。これらのために2つの特許が1781年と1782年に付与されました。製造およびインストールを容易にした多くの他の改善が継続的に実装されました。これらのうちの1つは、シリンダー内の圧力の情報的なプロットを生成した蒸気指示器の使用を含みました。
