詹姆斯·瓦特(1736年1月19日-1819年8月25日)是英国发明家,也是第一次工业革命中的重要人物。
第一台有实用价值的蒸汽机生产于1776年。经过一系列重大改进后,它成为“通用原动机”,并广泛应用于工业领域。他开创了人类能源利用的新时代,并将人类带入了“蒸汽时代”。后人为了纪念这位伟大的发明家,将功率单位设定为“瓦特”(以下简称“瓦特”和w符号)。
人物生活
家庭背景
1736年1月19日,詹姆斯·瓦特出生在苏格兰格拉斯哥附近克莱德湾的一个港口小镇格林诺克。
瓦特的父亲是一名熟练的造船工人,拥有自己的船舶和造船车间。他也是镇上的官员。瓦特的母亲艾格尼丝·穆尔黑德来自一个贵族家庭,受过良好的教育。他们都属于长老会,是坚定的誓言。虽然瓦特来自一个宗教家庭,但后来他成了一名神论者。
瓦特没有太多时间去上学,因为他小时候身体虚弱,主要的教育是由他的母亲在家进行的。瓦特从小就表现出精湛的操作能力和数学天赋,并接受了许多苏格兰民间传说和故事。
早期体验
瓦特17岁时,母亲去世,父亲的生意开始衰退。瓦特在伦敦的一家仪器修理店当了一年学徒,然后回到苏格兰格拉斯哥,打算开自己的修理店。虽然当时苏格兰没有类似的修理店,但他开店的申请被格拉斯哥锤商协会(管理所有锤打工匠)拒绝,因为他没有所需的七年学徒期。
瓦特于1755年离开苏格兰,去伦敦寻求乐器制造商的培训。康塞尔的约翰·摩根接受了他。
学习经验
1757年,格拉斯哥大学的一名教授给了瓦特一个在大学开一家小修理店的机会,这帮助瓦特摆脱了困境。教授、物理学家和化学家约瑟夫·布莱克成为瓦特的朋友和导师。
1757年,格拉斯哥大学任命瓦特为其官方“数学仪器制造商”,并在校园内设立了一个工作室。
改进型蒸汽机
瓦特商店开张五年后,在他的朋友罗宾逊教授的指导下,瓦特开始了他的蒸汽机实验。直到现在,瓦特从来没有亲眼见过一台工作的蒸汽机,但他开始建造自己的蒸汽机模型。最初的实验失败了,但他坚持继续实验,阅读所有他能找到的关于蒸汽机的材料,并独立发现潜热的重要性(虽然这是布莱克教授几年前发现的,但瓦特当时并不知道)。
1763年,瓦特得知格拉斯哥大学有一台新的蒸汽机,但它正在伦敦修理。他要求大学取回蒸汽机并自己修理。蒸汽机修理后几乎不能工作,但它的效率很低。经过大量实验后,瓦特发现效率低的原因是每次推动活塞时,汽缸中的蒸汽都必须冷凝,然后再加热进行下一次推动,因此80%的蒸汽热量被消耗在维持汽缸温度上。
从1763年到1765年,当瓦特修理纽科曼泵时,他设计了冷凝器来解决低效率的问题。罗巴克将瓦特的发明应用于商业。
1765年,瓦特取得了重大进展。他想把冷凝器和钢瓶分开,这样钢瓶的温度可以保持在注入蒸汽的温度。在此基础上,他很快建立了一个可以连续运行的模型。
但是建造一台实用的蒸汽机还有很长的路要走。
首先,有钱。布莱克教授提供了一些帮助,但更多的钱来自约翰·罗巴克。罗巴克是一位成功的企业家,也是著名的卡伦钢铁厂的所有者。在罗巴克的赞助下,瓦特开始了新蒸汽机的试生产,并成为新公司的合伙人。
试生产的主要困难还在于活塞和气缸的加工制造技术。那时,钢铁工人在技术水平上更像铁匠而不是机械师,所以结果并不令人满意。此外,由于当时的相关专利申请需要国会批准,大部分资金都用于相关程序。由于资金短缺,瓦特不得不找另一份工作,做了八年的运河测量员。
此后,罗巴克破产,专利被伯明翰铸造厂的所有者马修·博尔顿接管。瓦特和博尔顿已经开始了他们成功的25年合作。
与博尔顿的合作使瓦特获得了更好的设备资金和技术支持,特别是在加工和制造过程中。制造新蒸汽机的主要困难之一是活塞和大汽缸之间的紧密配合。约翰威尔金森最终解决了这个问题,他在改进火炮制造时提出了一种新的精密镗孔技术,可用于蒸汽机制造。
瓦特于1774年将蒸汽机投入生产。
1776年,博尔登·瓦特的蒸汽机在博罗姆菲尔德煤矿首次向公众展示了它的工作状态。
1776年,第一批新型蒸汽机最终成功制造并应用于实际生产。由于这些蒸汽机只能提供往复直线运动,它们主要用于泵。在接下来的五年里,瓦特赢得了大量订单,忙着从一个矿井跑到另一个矿井安装由这台新蒸汽机驱动的水泵。应博尔顿的要求,瓦特开始研究如何将蒸汽机的直线往复运动转化为圆周运动,以便蒸汽机能为大多数机器提供动力。一个显而易见的解决方案是通过曲柄驱动,但专利所有者约翰斯蒂德要求同时分享瓦特以前的独立冷凝器专利,瓦特坚决拒绝了。
1781年,瓦特公司的雇员威廉·默多克(william murdoch)发明了一种称为“太阳与行星”的曲柄齿轮传动系统,并以瓦特的名义成功申请了专利。本发明绕过了曲柄专利的限制,极大地拓展了蒸汽机的应用。在接下来的六年里,瓦特对蒸汽机进行了一系列改进,并获得了一系列专利:他发明了一种双向汽缸,使蒸汽能够从两端进出,从而推动活塞向两个方向运动,而不是像以前那样向一个方向推动;使用节流阀和离心节流阀控制空气压力和蒸汽机运行;发明了一种气压指示器来指示蒸汽状态。为了保证气缸推杆和气泵的直线运动,发明了三连杆组。担心爆炸和泄漏的危险,瓦特早期的蒸汽机在引入高压蒸汽之前使用低压蒸汽。所有这些创新的结合使得瓦特的新蒸汽机(联合蒸汽机)的效率是纽科曼过去蒸汽机的五倍。
1782年,瓦特的双向蒸汽机获得专利,同年他发明了一个标准单位:马力。
1782年,韦奇伍德在伊特鲁里亚陶瓷厂大规模使用博尔顿-瓦特铸造厂生产的联合蒸汽机和伯明翰工厂生产的动力机生产机械化陶瓷。
1784年,瓦特通过增加一个自动调节蒸汽机速度的装置来改进协调蒸汽机,使其适合各种机械运动。此后,纺织工业、矿业、冶金工业、造纸工业等工业部门相继采用蒸汽机作为动力。
1785年后,瓦特改进的蒸汽机首次在纺织行业投入使用,并受到广泛欢迎。
1794年,瓦特和博尔顿成立了一家专门生产蒸汽机的公司。在博尔顿的成功运作下,1824年生产了1165台蒸汽机。瓦特和博尔顿都赚了很多钱。
步入老年
瓦特在半退休前还发明了许多其他发明。例如,他发明了一种新的距离测量方法,使用望远镜、新的印刷机、改进的油灯、蒸汽滚筒和机械制图着色方法,这种方法一直持续到今天。
瓦特的专利在1800年与博尔顿一起到期,同年他退休了。然而,他们的合作一直延续到下一代。马修·博尔顿和詹姆斯·瓦特继续合作,威廉·默克多被聘为合伙人,以确保公司持续成功。瓦特和他的第二任妻子退休后去了法国和德国,并在威尔士买了一栋房子。
1819年8月25日,83岁的瓦特在英格兰斯塔福德郡的家中去世。