Não consigo pensar em nada além desta máquina.
James Watt foi um inventor, engenheiro mecânico e químico escocês que melhorou o motor a vapor Newcomen de 1712 com seu motor a vapor Watt em 1776, que foi fundamental para as mudanças trazidas pela Revolução Industrial tanto em sua nativa Grã-Bretanha quanto no resto do mundo.
Enquanto trabalhava como fabricante de instrumentos na Universidade de Glasgow, Watt se interessou pela tecnologia dos motores a vapor. Ele percebeu que os projetos de motores contemporâneos desperdiçavam uma grande quantidade de energia ao resfriar e reaquecer repetidamente o cilindro. Watt introduziu uma melhoria de design, o condensador separado, que evitava esse desperdício de energia e melhorou radicalmente a potência, eficiência e custo-benefício dos motores a vapor. Eventualmente, ele adaptou seu motor para produzir movimento rotativo, ampliando muito seu uso além do bombeamento de água.
Watt tentou comercializar sua invenção, mas enfrentou grandes dificuldades financeiras até entrar em parceria com Matthew Boulton em 1775. A nova empresa Boulton and Watt foi eventualmente muito bem-sucedida e Watt se tornou um homem rico. Em sua aposentadoria, Watt continuou a desenvolver novas invenções, embora nenhuma fosse tão significativa quanto seu trabalho com motores a vapor.
Ele desenvolveu o conceito de cavalo-vapor, e a unidade SI de potência, o watt, foi nomeada em sua homenagem.
Infância e educação
James Watt nasceu em 19 de janeiro de 1736 em Greenock, Renfrewshire, o mais velho dos cinco filhos sobreviventes de Agnes Muirhead 1703–1755 e James Watt 1698–1782. Sua mãe era proveniente de uma família distinta, era bem educada e conhecida por seu caráter forte, enquanto seu pai era carpinteiro naval, proprietário de navios e contratista, e serviu como chefe bailie de Greenock em 1751. Os pais de Watt eram presbiterianos e fortes covenanters, no entanto, apesar de uma educação religiosa, mais tarde se tornou deísta. O avô de Watt, Thomas Watt 1642–1734, era professor de matemática, agrimensura e navegação e bailie do Barão de Cartsburn.
Inicialmente, Watt foi educado em casa por sua mãe, depois frequentou a Greenock Grammar School. Lá ele demonstrou aptidão para matemática, enquanto latim e grego não despertaram seu interesse.
Diz-se que sofreu longos períodos de má saúde na infância e frequentes dores de cabeça durante toda a vida.
Depois de deixar a escola, Watt trabalhou nas oficinas dos negócios de seu pai, demonstrando considerável destreza e habilidade na criação de modelos de engenharia. Depois que seu pai sofreu algumas empreitadas comerciais mal-sucedidas, Watt deixou Greenock para procurar emprego em Glasgow como fabricante de instrumentos matemáticos.
Biografia
Quando tinha 18 anos, sua mãe morreu e a saúde de seu pai começou a falhar. Watt viajou para Londres e conseguiu um período de treinamento como fabricante de instrumentos por um ano 1755/56, depois retornou à Escócia, se estabelecendo na importante cidade comercial de Glasgow com a intenção de montar seu próprio negócio de fabricação de instrumentos. Ele ainda era muito jovem e, não tendo tido um aprendizado completo, não tinha as conexões usuais através de um antigo mestre para se estabelecer como um fabricante de instrumentos viajante.
Watt foi salvo dessa situação pela chegada da Jamaica de instrumentos astronômicos legados por Alexander Macfarlane à Universidade de Glasgow, instrumentos que exigiam atenção especializada. Watt os restaurou ao estado de funcionamento e foi remunerado. Estes instrumentos foram eventualmente instalados no Observatório Macfarlane. Posteriormente, três professores lhe ofereceram a oportunidade de montar uma pequena oficina dentro da universidade. Foi iniciada em 1757 e dois dos professores, o físico e químico Joseph Black, bem como o famoso Adam Smith, se tornaram amigos de Watt.
No início, ele trabalhou na manutenção e reparo de instrumentos científicos usados na universidade, ajudando em demonstrações e expandindo a produção de quadrantes. Ele fez e reparou quadrantes refletores de latão, réguas paralelas, escalas, peças para telescópios e barômetros, entre outras coisas.
Às vezes é falsamente afirmado que ele lutou para se estabelecer em Glasgow devido à oposição da Trades House, mas este mito foi completamente desacreditado pelo historiador Lumsden. Os registros deste período foram perdidos, mas sabe-se que ele foi capaz de trabalhar e comerciar completamente normalmente como um metalúrgico qualificado, então a Incorporation of Hammermen deve ter ficado satisfeita que ele atendesse seus requisitos de associação. Também é conhecido que outras pessoas nos ofícios de metal foram perseguidas por trabalhar sem serem membros da Incorporation bem no século XIX, então as regras definitivamente estavam sendo aplicadas quando Watt estava comercializando livremente por toda a cidade.
Em 1759, ele formou uma parceria com John Craig, um arquiteto e empresário, para fabricar e vender uma linha de produtos incluindo instrumentos musicais e brinquedos. Esta parceria durou os próximos seis anos e empregou até dezesseis trabalhadores. Craig morreu em 1765. Um funcionário, Alex Gardner, eventualmente assumiu o negócio, que durou até o século vinte.
Em 1764, Watt se casou com sua prima Margaret Peggy Miller, com quem teve cinco filhos, dois dos quais viveram até a idade adulta: James Jr. 1769–1848 e Margaret 1767–1796. Sua esposa morreu no parto em 1772. Em 1777, ele se casou novamente, com Ann MacGregor, filha de um tintureiro de Glasgow, com quem teve dois filhos: Gregory 1777–1804, que se tornou geólogo e mineralogista, e Janet 1779–1794. Ann morreu em 1832. Entre 1777 e 1790, ele viveu em Regent Place, Birmingham.
Watt e a chaleira
Há uma história popular de que Watt foi inspirado a inventar o motor a vapor ao ver uma chaleira fervendo, o vapor forçando a tampa a se levantar e assim mostrando a Watt o poder do vapor. Esta história é contada de muitas formas; em algumas Watt é um jovem rapaz, em outras ele é mais velho, às vezes é a chaleira de sua mãe, às vezes é de sua tia. Watt não inventou realmente o motor a vapor, como a história implica, mas melhorou dramaticamente a eficiência do motor Newcomen existente ao adicionar um condensador separado. Isto é difícil de explicar para alguém não familiarizado com conceitos de calor e eficiência térmica. Parece que a história foi criada, possivelmente pelo filho de Watt, James Watt Jr., e persiste porque é fácil para as crianças entender e lembrar. Nesta luz, pode ser vista como análoga à história de Isaac Newton e a maçã caindo e sua descoberta da gravidade.
Embora seja frequentemente descartada como um mito, a história de Watt e a chaleira tem base em fatos. Ao tentar entender a termodinâmica do calor e do vapor, James Watt realizou muitos experimentos de laboratório e seus diários registram que ao conduzir estes, ele usou uma chaleira como caldeira para gerar vapor.
Primeiros experimentos com vapor
Em 1759, o amigo de Watt, John Robison, chamou sua atenção para o uso do vapor como fonte de força motriz. O design do motor Newcomen, em uso por quase 50 anos para bombear água das minas, havia mudado pouco desde sua primeira implementação. Watt começou a experimentar com vapor, embora nunca tivesse visto um motor a vapor em funcionamento. Ele tentou construir um modelo; falhou em funcionar adequadamente, mas continuou seus experimentos e começou a ler tudo que podia sobre o assunto. Ele chegou a perceber a importância do calor latente—a energia térmica liberada ou absorvida durante um processo de temperatura constante—na compreensão do motor, que, desconhecido para Watt, seu amigo Joseph Black havia descoberto previamente anos antes. A compreensão do motor a vapor estava em um estado muito primitivo, pois a ciência da termodinâmica não seria formalizada por quase outros 100 anos.
Em 1763, Watt foi solicitado a reparar um modelo de motor Newcomen pertencente à universidade. Mesmo após o reparo, o motor mal funcionava. Após muita experimentação, Watt demonstrou que cerca de três quartos da energia térmica do vapor eram consumidos ao aquecer o cilindro do motor a cada ciclo. Esta energia foi desperdiçada porque mais tarde no ciclo água fria foi injetada no cilindro para condensar o vapor e reduzir sua pressão. Assim, ao aquecer e resfriar repetidamente o cilindro, o motor desperdiçou a maior parte de sua energia térmica ao invés de convertê-la em energia mecânica.
A percepção crítica de Watt, alcançada em maio de 1765, foi fazer o vapor condensar em uma câmara separada, além do pistão, e manter a temperatura do cilindro na mesma temperatura do vapor injetado ao rodeá-la com uma "jaqueta de vapor". Assim, muito pouca energia foi absorvida pelo cilindro em cada ciclo, tornando mais disponível para realizar trabalho útil. Watt teve um modelo de funcionamento mais tarde naquele mesmo ano.
Apesar de um design potencialmente viável, havia ainda dificuldades substanciais na construção de um motor em escala real. Isto exigia mais capital, parte do qual veio de Black. Apoio mais substancial veio de John Roebuck, o fundador da celebrada Carron Iron Works perto de Falkirk, com quem agora formou uma parceria. Roebuck morava em Kinneil House em Bo'ness, durante o qual Watt trabalhou aperfeiçoando seu motor a vapor em uma cabana adjacente à casa. A casca da cabana, e uma parte muito grande de um de seus projetos, ainda existem na retaguarda.
A principal dificuldade estava na usinagem do pistão e cilindro. Os trabalhadores de ferro da época eram mais como ferreiros do que maquinistas modernos, e eram incapazes de produzir os componentes com precisão suficiente. Muito capital foi gasto na busca de uma patente da invenção de Watt. Sem recursos, Watt foi forçado a assumir emprego—primeiro como agrimensor, depois como engenheiro civil—por oito anos.
Roebuck faliu, e Matthew Boulton, que possuía as obras da Soho Manufactory perto de Birmingham, adquiriu seus direitos de patente. Uma extensão da patente até 1800 foi obtida com sucesso em 1775.
Através de Boulton, Watt finalmente teve acesso a alguns dos melhores trabalhadores de ferro do mundo. A dificuldade da fabricação de um cilindro grande com um pistão bem ajustado foi resolvida por John Wilkinson, que havia desenvolvido técnicas de perfuração de precisão para fabricação de canhões em Bersham, perto de Wrexham, País de Gales do Norte. Watt e Boulton formaram uma parceria enormemente bem-sucedida, Boulton and Watt, que durou os próximos vinte e cinco anos.
Primeiros motores
Em 1776, os primeiros motores foram instalados e trabalhando em empresas comerciais. Estes primeiros motores foram usados para alimentar bombas e produziram apenas movimento alternado para mover as hastes de bomba no fundo do poço. O design foi um sucesso comercial, e pelos próximos cinco anos Watt estava muito ocupado instalando mais motores, principalmente na Cornualha para bombear água das minas.
Estes primeiros motores não foram fabricados pela Boulton and Watt, mas foram feitos por outros de acordo com desenhos feitos por Watt, que serviu no papel de engenheiro consultor. A erection do motor e sua execução foram supervisionadas por Watt, no início, e depois por homens do pessoal da firma. Estas eram máquinas grandes. A primeira, por exemplo, tinha um cilindro com diâmetro de cerca de 50 polegadas e uma altura geral de cerca de 24 pés, e exigiu a construção de um edifício dedicado para abrigá-la. Boulton and Watt cobravam um pagamento anual, igual a um terço do valor do carvão economizado em comparação a um motor Newcomen realizando o mesmo trabalho.
O campo de aplicação para a invenção foi muito ampliado quando Boulton instou Watt a converter o movimento alternado do pistão para produzir potência rotacional para moagem, tecelagem e moagem. Embora uma manivela parecesse a solução óbvia para a conversão, Watt e Boulton foram impedidos por uma patente para isto, cujo titular, James Pickard, e associados propuseram cross-license do condensador externo. Watt se opôs adamantemente a isto e contornaram a patente por sua engrenagem de sol e planeta em 1781.
Nos próximos seis anos, ele fez uma série de outras melhorias e modificações no motor a vapor. Um motor de dupla ação, no qual o vapor agia alternadamente nos dois lados do pistão foi um. Ele descreveu métodos para trabalhar o vapor "expansivamente", ou seja, usando vapor em pressões bem acima da atmosférica. Um motor composto, que conectava dois ou mais motores foi descrito. Mais duas patentes foram concedidas para estas em 1781 e 1782. Inúmeras outras melhorias que tornavam a fabricação e instalação mais fáceis foram continuamente implementadas. Uma destas incluiu o uso do indicador de vapor que produzia um gráfico informativo da pressão no cilindro contra
