James Watt

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我想不到除了这台机器之外的任何东西。

James Watt是一位苏格兰发明家、机械工程师和化学家,他在1776年用Watt蒸汽机改进了Thomas Newcomen在1712年设计的Newcomen蒸汽机,这对工业革命在他的故乡大不列颠及世界其他地方带来的变革至关重要。

在Glasgow大学担任仪器制造师期间,Watt对蒸汽机技术产生了兴趣。他意识到当代发动机设计通过反复冷却和加热气缸浪费了大量能源。Watt引入了一项设计改进——分离冷凝器,避免了能源浪费,并大幅提高了蒸汽机的功率、效率和成本效益。最终,他将他的发动机改造为产生旋转运动,大大扩展了其在抽水以外的应用范围。

Watt试图将他的发明商业化,但经历了巨大的经济困难,直到他在1775年与Matthew Boulton建立了合作关系。新的Boulton和Watt公司最终获得了巨大成功,Watt成为了一位富有的人。在退休期间,Watt继续开发新的发明,尽管没有一项与他的蒸汽机工作一样重要。

他开发了马力的概念,国际单位制中的功率单位瓦特以他的名字命名。

早年生活与教育

James Watt于1736年1月19日出生于Renfrewshire的Greenock,是Agnes Muirhead(1703–1755)和James Watt(1698–1782)五个存活孩子中的长子。他的母亲出身名门,受过良好教育,据说性格坚强,而他的父亲是船舶工人、船东和承包商,在1751年担任Greenock的首席保释官。Watt的父母是长老教会教徒和坚定的盟约派信徒,但尽管宗教教养深厚,他后来成为了理神论者。Watt的祖父Thomas Watt(1642–1734)是数学、测量和航海教师,并担任Cartsburn男爵的保释官。

最初Watt由母亲在家教育,后来进入Greenock文法学校。在那里他表现出对数学的天赋,而拉丁语和希腊语未能引起他的兴趣。

据说他童年时期经历了长期的健康问题,并终身经常头痛。

离开学校后,Watt在他父亲企业的车间工作,在创建工程模型方面展现了相当的灵巧和技能。在他的父亲遭遇一些不成功的商业冒险后,Watt离开Greenock前往Glasgow寻求作为数学仪器制造师的工作。

生平

18岁时他的母亲去世,他的父亲健康开始衰退。Watt前往伦敦,能够获得为期一年的仪器制造师培训(1755/56年),随后返回苏格兰,定居在主要商业城市Glasgow,打算建立自己的仪器制造业务。他当时仍然很年轻,由于没有完整的学徒经历,没有通过前任师傅建立的通常联系来确立自己作为旅行工仪器制造师的身份。

Watt的雕像。

Watt从这个困境中被拯救出来,得益于从Jamaica运来的由Alexander Macfarlane遗赠给Glasgow大学的天文仪器的到达,这些仪器需要专家的照顾。Watt将它们恢复到工作状态并获得了酬劳。这些仪器最终被安装在Macfarlane天文台。随后,三位教授给了他在大学内建立小型车间的机会。它在1757年启动,两位教授——物理学家兼化学家Joseph Black以及著名的Adam Smith成为了Watt的朋友。

起初他从事维护和修理大学使用的科学仪器、协助演示以及扩大象限仪的生产。他制造和修理黄铜反射象限仪、平行尺、刻度尺、望远镜零件和晴雨表等。

有时错误地声称他由于Trades House的反对而在Glasgow难以立足,但这一神话已被历史学家Lumsden彻底驳斥。这一时期的记录已遗失,但已知他能够作为熟练的金属工人完全正常地工作和交易,所以Incorporation of Hammermen必定对他满足其成员身份要求感到满意。也已知其他金属行业的人在整个19世纪仍因未成为Incorporation成员而从事工作而被追究,因此当Watt在全城自由交易时这些规则确实正在执行。

James Watt,由John Partridge根据Sir William Beechey (1806)绘制

1759年,他与建筑师和商人John Craig合作,制造和销售包括乐器和玩具在内的产品线。这项合作持续了接下来的六年,雇用了多达十六名工人。Craig在1765年去世。一名员工Alex Gardner最终接管了这家业务,该业务持续到了二十世纪。

1764年,Watt娶了他的表妹Margaret Peggy Miller,与她有五个孩子,其中两个成年:James Jr.(1769–1848)和Margaret(1767–1796)。他的妻子在1772年死于难产。1777年他再次结婚,与Glasgow染料制造商的女儿Ann MacGregor结婚,与她有两个孩子:Gregory(1777–1804),他成为了地质学家和矿物学家,以及Janet(1779–1794)。Ann于1832年去世。1777年至1790年间,他住在Birmingham的Regent Place。

Watt和水壶

有一个流行的故事说Watt受到看到沸腾的水壶而受到启发来发明蒸汽机,蒸汽推动盖子上升,从而向Watt展示了蒸汽的力量。这个故事以许多形式被讲述;在一些版本中Watt是个年轻的孩子,在其他版本中他更大,有时是他母亲的水壶,有时是他阿姨的。Watt实际上没有发明蒸汽机,如故事所暗示的那样,而是通过添加分离冷凝器大幅提高了现有Newcomen发动机的效率。这很难向不熟悉热和热效率概念的人解释。似乎这个故事是由Watt的儿子James Watt Jr.创造的,并持续存在是因为它易于儿童理解和记忆。从这个角度看,它可以被视为类似于Isaac Newton和掉下来的苹果以及他对重力发现的故事。

苏格兰国家肖像画廊中Watt的胸像

虽然它常常被认为是一个神话,但Watt和水壶的故事有事实基础。在试图理解热和蒸汽的热力学时,James Watt进行了许多实验室实验,他的日记记录了在进行这些实验时他使用水壶作为锅炉来产生蒸汽。

早期蒸汽实验

1759年,Watt的朋友John Robison引起了他对蒸汽作为动力来源的使用的注意。Newcomen发动机的设计在用于从矿井抽水近50年以来几乎没有从其首次实施时改变。Watt开始进行蒸汽实验,尽管他从未看过运行的蒸汽机。他尝试构建一个模型;它没有令人满意地工作,但他继续进行实验并开始阅读他能找到的关于该主题的一切。他开始认识到潜热的重要性——在恒温过程中释放或吸收的热能——在理解发动机方面,这对Watt来说是未知的,他的朋友Joseph Black多年前已经发现过。对蒸汽机的理解处于非常原始的状态,因为热力学科学在将近另外100年后才会被正式化。

1763年,Watt被要求修理属于大学的模型Newcomen发动机。即使在修理后,发动机仍几乎无法工作。经过大量实验后,Watt证明了蒸汽热能的大约四分之三在每个循环中被用于加热发动机气缸。这种能源被浪费了,因为稍后在循环中冷水被注入气缸以冷凝蒸汽以降低其压力。因此,通过反复加热和冷却气缸,发动机浪费了大部分热能,而不是将其转化为机械能。

James Eckford Lauder:James Watt和蒸汽机:十九世纪的曙光,1855

Watt的关键洞察,在1765年5月达成,是使蒸汽在远离活塞的独立腔室中冷凝,并通过用"蒸汽套"围绕气缸来保持气缸的温度与注入蒸汽的温度相同。因此,每个循环中气缸吸收的能量非常少,使更多的能量可用于执行有用的工作。Watt在同一年晚些时候有了一个工作模型。

尽管设计上可能可行,但在构建全规模发动机方面仍存在实质性困难。这需要更多资本,其中一些来自Black。更大的支持来自John Roebuck,他是著名的Carron铁厂(靠近Falkirk)的创始人,Watt现在与他建立了合作关系。Roebuck住在Bo'ness的Kinneil House,在此期间Watt在邻近房屋的一间小屋中从事完善他的蒸汽机的工作。小屋的外壳和他的一个项目的很大一部分仍然存在于后面。

主要困难在于加工活塞和气缸。当时的铁工更像是铁匠而不是现代机械师,无法以足够的精度生产零件。大量资本花费在追求Watt发明的专利上。资源匮乏,Watt被迫从事就业——首先作为测量员,然后作为土木工程师——长达八年。

Watt原始冷凝器(科学博物馆)

Roebuck破产了,而拥有Birmingham附近Soho制造厂的Matthew Boulton获得了他的专利权。专利延期至1800在1775年成功获得。

通过Boulton,Watt最终获得了世界上一些最好的铁工的使用权。制造带有紧密配合活塞的大型气缸的困难由John Wilkinson解决,他在North Wales靠近Wrexham的Bersham为大炮制造开发了精密钻孔技术。Watt和Boulton形成了一个极其成功的合作关系Boulton和Watt,持续了接下来的二十五年。

首批发动机

1776年,首批发动机被安装并在商业企业中运行。这些首批发动机用于驱动泵,仅产生往复运动以移动轴底部的泵杆。该设计在商业上取得成功,在接下来的五年中Watt忙于安装更多发动机,主要在Cornwall用于从矿井抽出水。

这些早期发动机不是由Boulton和Watt制造的,而是由他人按照Watt制作的图纸制造的,Watt担任咨询工程师的角色。发动机的竖立和其调试最初由Watt监督,随后由公司员工监督。这些是大型机器。例如,第一台有直径约50英寸的气缸和大约24英尺的总高度,需要建造一栋专用建筑来容纳它。Boulton和Watt收取年度付款,等于与执行相同工作的Newcomen发动机相比节省的煤炭价值的三分之一。

1784年由Boulton和Watt设计的蒸汽发动机的版画。

当Boulton敦促Watt将活塞的往复运动转换为产生旋转功率以进行研磨、编织和研磨时,该发明的应用领域大大拓宽了。虽然曲柄似乎是进行转换的明显解决方案,但Watt和Boulton被这一专利所阻碍,其持有人James Pickard和合作伙伴提议交叉许可外部冷凝器。Watt坚决反对这一点,他们通过1781年的sun and planet齿轮绕过了该专利。

在接下来的六年中,他对蒸汽机进行了多项其他改进和修改。在活塞两侧交替作用的蒸汽的双作用发动机是其中之一。他描述了以"膨胀式"方式使用蒸汽的方法,即使用压力远高于大气压的蒸汽。描述了连接两个或多个发动机的复合发动机。1781年和1782年又授予了两项专利。不断实施了许多其他改进,以简化制造和安装。其中一项包括使用蒸汽指示器的使用,该指示器产生了气缸内压力与

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