James Watt

나는 이 기계 외에 다른 것을 생각할 수 없다.

James Watt는 스코틀랜드의 발명가, 기계 공학자, 화학자로서 1776년에 자신의 Watt 증기 엔진으로 Thomas Newcomen의 1712년 Newcomen 증기 엔진을 개선했으며, 이는 자신의 모국인 영국과 세계의 나머지 지역에서 산업 혁명이 가져온 변화의 기초가 되었다.

Glasgow 대학교의 기기 제작자로 일하는 동안 Watt는 증기 엔진의 기술에 관심을 가지게 되었다. 그는 당시의 엔진 설계가 실린더를 반복적으로 냉각하고 재가열함으로써 많은 에너지를 낭비한다는 것을 깨달았다. Watt는 설계 개선, 즉 별도의 응축기를 도입했으며, 이는 에너지 낭비를 피하고 증기 엔진의 전력, 효율 및 비용 효율성을 획기적으로 향상시켰다. 결국 그는 엔진을 회전 운동을 생성하도록 적응시켜 물 펌핑을 넘어 그 사용을 크게 확대했다.

Watt는 자신의 발명을 상용화하려고 시도했지만 1775년 Matthew Boulton과의 파트너십에 들어가기 전까지 큰 재정적 어려움을 겪었다. Boulton and Watt의 새로운 회사는 결국 매우 성공적이었고 Watt는 부자가 되었다. 은퇴 후 Watt는 새로운 발명을 계속 개발했지만 그의 증기 엔진 작업만큼 중요한 것은 없었다.

그는 마력의 개념을 개발했으며, SI 전력 단위인 watt는 그의 이름을 따라 명명되었다.

초기 생활과 교육

James Watt는 1736년 1월 19일 Renfrewshire의 Greenock에서 태어났으며, Agnes Muirhead 1703–1755와 James Watt 1698–1782의 생존한 다섯 자녀 중 맏아들이었다. 그의 어머니는 저명한 가문 출신이었고 교육을 잘 받았으며 강한 성격으로 알려져 있었고, 그의 아버지는 조선 기술자, 배 소유자 및 계약자였으며 1751년 Greenock의 치안판사를 역임했다. Watt의 부모는 장로교인이었고 강한 Covenanters였지만 종교적인 양육에도 불구하고 나중에 그는 자연신론자가 되었다. Watt의 할아버지 Thomas Watt 1642–1734는 수학, 측량 및 항해의 교사였으며 Cartsburn 남작의 치안판사였다.

처음에 Watt는 어머니에게 집에서 교육을 받았고, 나중에 Greenock Grammar School에 다녔다. 그곳에서 그는 수학에 대한 적성을 보였지만 라틴어와 그리스어는 그를 흥미롭게 하지 못했다.

학창 시절 동안 건강이 좋지 않은 시간을 자주 겪었고 평생 두통을 자주 앓았다고 한다.

학교를 떠난 후 Watt는 자신의 아버지 사업의 작업장에서 일했으며 엔지니어링 모델을 만드는 데 있어 상당한 능숙함과 기술을 보였다. 아버지가 사업 실패를 겪은 후 Watt는 Greenock을 떠나 Glasgow에서 수학 기기 제작자로 일자리를 구하러 떠났다.

전기

그가 18세였을 때 그의 어머니가 죽었고 아버지의 건강이 악화되기 시작했다. Watt는 런던으로 여행을 떠났고 1755/56년에 기기 제작자로 1년간 훈련을 받을 수 있었고, 그 후 스코틀랜드로 돌아와 주요 상업 도시인 Glasgow에 정착하여 자신의 기기 제작 사업을 설립할 계획이었다. 그는 여전히 매우 젊었고 완전한 도제 과정을 거치지 않았기 때문에 전직 도제 관계자를 통해 자신을 숙련된 기기 제작자로 설립할 수 있는 일반적인 연결고리가 없었다.

Watt는 Jamaica에서 Alexander Macfarlane이 Glasgow 대학교에 남긴 천문 기기가 도착함으로써 이 곤경에서 벗어났으며, 이 기기들은 전문가의 관심이 필요했다. Watt는 이들을 작동 가능한 상태로 복원했고 보상을 받았다. 이 기기들은 결국 Macfarlane 천문대에 설치되었다. 그 후 세 명의 교수가 그에게 대학 내 작은 작업장을 설립할 기회를 제공했다. 이것은 1757년에 시작되었고 물리학자이자 화학자인 Joseph Black과 유명한 Adam Smith, 두 명의 교수가 Watt의 친구가 되었다.

처음에 그는 대학에서 사용되는 과학 기기의 유지 보수 및 수리, 시연 지원, 사분의 생산 확대에 종사했다. 그는 황동 반사 사분의, 평행 자, 눈금, 망원경 부품 및 기압계 등 많은 것들을 제작하고 수리했다.

그가 Trades House의 반대로 인해 Glasgow에서 자신을 확립하기 위해 고투했다는 것이 때때로 거짓으로 나타나지만, 이 신화는 역사가 Lumsden에 의해 철저히 반박되었다. 이 시기의 기록은 손실되었지만 그가 숙련된 금속 노동자로서 완전히 정상적으로 일하고 거래할 수 있었다는 것이 알려져 있으므로 Hammermen 협회는 그가 회원 자격 요구 사항을 충족한다는 것에 만족했어야 한다. 또한 19세기까지 금속 거래의 다른 사람들이 협회 회원이 아닌 상태에서 일한 혐의로 계속 추적당했으므로 Watt가 도시 전역에서 자유롭게 거래하고 있을 때 규칙이 확실히 시행되고 있었다는 것이 알려져 있다.

1759년 그는 건축가이자 사업가인 John Craig와 파트너십을 형성하여 악기 및 장난감을 포함한 일련의 제품을 제조하고 판매했다. 이 파트너십은 그 다음 6년 동안 지속되었으며 최대 16명의 노동자를 고용했다. Craig는 1765년에 사망했다. 한 명의 직원인 Alex Gardner가 결국 사업을 인수했으며, 이는 20세기까지 지속되었다.

1764년 Watt는 그의 사촌 Margaret Peggy Miller와 결혼했으며, 그녀와 함께 5명의 자녀가 있었고 그 중 2명은 성인이 되었다: James Jr. 1769–1848과 Margaret 1767–1796. 그의 아내는 1772년 출산 중에 사망했다. 1777년 그는 Glasgow 염색 제조업자의 딸 Ann MacGregor와 다시 결혼했으며, 그녀와 2명의 자녀가 있었다: 지질학자이자 광물학자가 된 Gregory 1777–1804와 Janet 1779–1794. Ann은 1832년에 사망했다. 1777년과 1790년 사이 그는 Birmingham의 Regent Place에 거주했다.

Watt와 주전자

Watt가 끓는 주전자를 보고 증기 엔진을 발명하도록 영감을 받았다는 인기 있는 이야기가 있으며, 증기가 뚜껑을 올려 Watt에게 증기의 힘을 보여준다. 이 이야기는 많은 형태로 전해진다; 일부에서는 Watt가 어린 아이이고, 다른 것에서는 그가 더 나이 들어 있으며, 때로는 그것이 그의 어머니의 주전자이고, 때로는 그의 숙모의 주전자이다. Watt는 이 이야기가 암시하는 것처럼 실제로 증기 엔진을 발명하지 않았지만, 별도의 응축기를 추가하여 기존 Newcomen 엔진의 효율을 획기적으로 향상시켰다. 이는 열과 열효율의 개념에 익숙하지 않은 사람에게 설명하기 어렵다. 이 이야기는 아마도 Watt의 아들 James Watt Jr.에 의해 만들어진 것으로 보이며, 어린이들이 이해하고 기억하기 쉽기 때문에 지속된다. 이런 관점에서 볼 때 이는 Isaac Newton과 떨어지는 사과 그리고 그의 중력 발견 이야기와 같은 것으로 볼 수 있다.

Watt와 주전자의 이야기가 신화로 자주 무시되지만, 이는 사실에 기초하고 있다. 열과 증기의 열역학을 이해하려는 시도에서 James Watt는 많은 실험실 실험을 수행했으며 그의 일기에는 이를 수행하는 과정에서 증기를 생성하기 위한 보일러로 주전자를 사용했다는 기록이 있다.

증기를 이용한 초기 실험

1759년 Watt의 친구 John Robison이 증기를 동력 공급원으로 사용하는 것에 주의를 기울이도록 했다. 거의 50년 동안 광산에서 물을 펌프질하기 위해 사용되던 Newcomen 엔진의 설계는 처음 구현 이후 거의 변하지 않았다. Watt는 작동 중인 증기 엔진을 본 적이 없었지만 증기 실험을 시작했다. 그는 모델을 제작하려고 시도했으나 만족스럽게 작동하지 않았지만 계속 실험을 했고 이 주제에 관한 모든 것을 읽기 시작했다. 그는 잠열, 즉 일정한 온도 과정 중에 방출되거나 흡수되는 열에너지의 중요성을 깨달았으며, 이는 Watt가 모르는 사이에 그의 친구 Joseph Black이 몇 년 전에 이미 발견했었다. 열역학 과학이 거의 100년 동안 공식화되지 않을 것이기 때문에 증기 엔진에 대한 이해는 매우 원시적인 상태에 있었다.

1763년 Watt는 대학에 속한 Newcomen 엔진 모델을 수리하도록 요청받았다. 수리 후에도 엔진은 거의 작동하지 않았다. 많은 실험 후 Watt는 증기의 열에너지의 약 4분의 3이 매 사이클마다 엔진 실린더를 가열하는 데 소비되고 있음을 입증했다. 이 에너지는 사이클의 후반부에 냉수가 실린더에 주입되어 증기를 응축시켜 압력을 낮추기 때문에 낭비되었다. 따라서 실린더를 반복적으로 가열하고 냉각함으로써 엔진은 대부분의 열에너지를 기계 에너지로 변환하기보다는 낭비했다.

Watt의 중요한 통찰은 1865년 5월에 도달했으며, 증기가 피스톤과 별도의 챔버에서 응축되도록 하고 실린더의 온도를 "증기 재킷"으로 둘러싸서 주입된 증기와 동일한 온도로 유지하는 것이었다. 따라서 매 사이클마다 실린더에 흡수되는 에너지가 매우 적어 더 많은 에너지가 유용한 작업을 수행할 수 있었다. Watt는 그 해 말에 작동 모델을 가지고 있었다.

잠재적으로 작동 가능한 설계에도 불구하고 전규모 엔진을 제작하는 데 여전히 상당한 어려움이 있었다. 이는 더 많은 자본이 필요했으며 일부는 Black에서 나왔다. 더 실질적인 지원은 Falkirk 근처의 유명한 Carron Iron Works의 창립자인 John Roebuck에서 나왔으며, 그는 이제 그와 파트너십을 형성했다. Roebuck은 Bo'ness의 Kinneil House에 살았으며, 이 동안 Watt는 그 집 인접한 오두막에서 증기 엔진을 완성하는 작업을 했다. 오두막의 외골과 그의 프로젝트 중 상당히 큰 부분이 여전히 뒤쪽에 남아 있다.

주요 어려움은 피스톤과 실린더의 가공에 있었다. 그 시대의 철 노동자들은 현대의 기계 기술자보다 대장장이처럼 더 많았으며 충분한 정밀도로 부품을 생산할 수 없었다. 많은 자본이 Watt의 발명 특허 추구에 소비되었다. 자원이 부족한 Watt는 8년 동안 먼저 측량사로, 그 다음 토목 기사로 일자리를 구해야 했다.

Roebuck은 파산했고 Birmingham 근처의 Soho Manufactory 공장을 소유한 Matthew Boulton이 그의 특허권을 인수했다. 1775년에 특허를 1800년까지 연장하는 것이 성공적으로 이루어졌다.

Boulton을 통해 Watt는 마침내 세계 최고의 철 노동자들에게 접근할 수 있었다. North Wales의 Wrexham 근처 Bersham에서 대포 제작을 위한 정밀 보링 기법을 개발한 John Wilkinson이 단단하게 맞는 피스톤이 있는 큰 실린더를 제조하는 어려움을 해결했다. Watt와 Boulton은 매우 성공적인 파트너십인 Boulton and Watt를 형성했으며, 이는 그 다음 25년 동안 지속되었다.

첫 번째 엔진

1776년 첫 번째 엔진이 상업용으로 설치되고 작동하기 시작했다. 이 첫 번째 엔진은 펌프를 구동하는 데 사용되었으며 샤프트 하단의 펌프 막대를 이동시키기 위한 왕복 운동만 생성했다. 설계는 상업적으로 성공적이었으며 다음 5년 동안 Watt는 더 많은 엔진을 설치하는 데 매우 바빴으며, 대부분은 광산에서 물을 펌프질하기 위해 Cornwall에 설치되었다.

이 초기 엔진들은 Boulton and Watt에 의해 제조되지 않았지만 Watt가 제작한 도면에 따라 다른 사람들에 의해 만들어졌으며, 그는 컨설팅 엔지니어의 역할을 했다. 엔진의 설치 및 그 운동 개시는 처음에는 Watt에 의해, 그 다음에는 회사의 고용인에 의해 감시되었다. 이들은 큰 기계였다. 예를 들어 첫 번째는 직경이 약 50인치인 실린더를 가지고 있었고 전체 높이는 약 24피트였으며 그것을 보관할 전용 건물의 건설이 필요했다. Boulton and Watt는 같은 작업을 수행하는 Newcomen 엔진과 비교하여 절약된 석탄 값의 1/3과 같은 연간 지불을 청구했다.

Boulton이 Watt에게 피스톤의 왕복