Biografia di James Watt, inventore moderno del motore a vapore

James Watt (19 gennaio 1736 - 25 agosto 1819) fu un inventore, un ingegnere e un chimico scozzesi. Ha sviluppato un praticabile motore a vapore che utilizzava un condensatore separato; questa innovazione ha reso il motore a vapore uno strumento utile per una vasta gamma di usi. In molti modi, l'invenzione di Watt - o meglio, il suo miglioramento rispetto a un'invenzione precedente, il motore a vapore Newcomen - fu l'impulso tecnologico alla base del Rivoluzione industriale.

Fatti veloci: James Watt

James Watt nacque il 19 gennaio 1736 a Greenock, in Scozia, come unico figlio sopravvissuto di quattro figli di James Watt (1699–1737) e Agnes Muirhead (1901–1754). Greenock era un villaggio di pescatori che durante la vita di Watt divenne una città frenetica con una flotta di navi a vapore. Il nonno di James Jr. Thomas Watt (1642–1734) era un noto matematico e maestro di scuola locale. James Sr. era un eminente cittadino di Greenock e un falegname di successo e il chandler della nave che lavorava nell'allestimento delle navi e sui loro strumenti, compassi e quadranti. In varie occasioni, James Sr. era anche il principale magistrato e tesoriere della città.

James Watt era intelligente, ma a causa della cattiva salute non era in grado di frequentare la scuola regolarmente. Invece, ha acquisito le abilità di cui avrebbe avuto bisogno in seguito ingegneria e utensili lavorando con suo padre su progetti di carpenteria. All'età di 6 anni, James Watt stava risolvendo problemi geometrici e stava conducendo le sue prime ricerche sulla natura del vapore, che prevedeva la sperimentazione del bollitore da tè di sua madre. Nella fanciullezza, Watt era un avido lettore e trovò qualcosa che gli interessava in ogni libro che gli passava in mano.

Quando Watt fu infine mandato alla scuola del villaggio, la sua cattiva salute gli impedì di fare rapidi progressi; fu solo quando aveva 13 o 14 anni che iniziò a mostrare le sue capacità, in particolare in matematica. Il suo tempo libero è stato impiegato per disegnare con la matita, intagliare e lavorare sulla panca degli attrezzi con legno e metallo. Ha fatto molte ingegnose opere meccaniche e alcuni bellissimi modelli, e si è divertito a riparare strumenti nautici.

Dopo la morte di sua madre nel 1754, il diciottenne Watt fu inviato a Glasgow per allenarsi come commerciante con suo zio John Muirhead. Uno dei parenti di sua madre era il presidente del dipartimento di Lingue e discipline umanistiche orientali al Glasgow College, e Watt divenne un membro della società letteraria lì. Ha anche incontrato altri studiosi a Glasgow che si sarebbero dimostrati influenti e di supporto nella sua carriera: Robert Dick, professore di filosofia naturale, Robert Simpson in matematica e William Cullen in medicina e chimica.

Fu Dick a suggerire che Watt andasse a Londra per allenarsi come produttore di strumenti matematici. Con una lettera di presentazione, Watt partì per Londra nel 1755 e iniziò a lavorare con il produttore di strumenti John Morgan. Watt non era ufficialmente un apprendista, ma lavorava sulla strumentazione meccanica: Morgan pensava di avere talento, ma impiegò troppo tempo per completare il suo lavoro. Il lavoro con Morgan terminò nel giugno 1756 e Dick gli procurò una posizione a breve termine per lavorare su un orologio astronomico, che rifletteva telescopi e strumenti di transito. Watt tornò a Greenock alla fine dell'anno, ma presto tornò a Glasgow dove iniziò una piccola impresa nel settore dei quadranti. Fu nominato costruttore di strumenti matematici al Glasgow College, con il supporto del sostituto di Dick John Anderson, e del sostituto e chimico di Cullen Joseph Black (1728–1799). Il nero è noto soprattutto per il suo lavoro su batterie latenti e specifiche e per la sua scoperta dell'anidride carbonica, e doveva diventare un convinto sostenitore di Watt.

Nel 1759, John Robison, uno studente a Glasgow, mostrò a Watt un modello di Motore a vapore appena arrivato e suggerì che potesse essere usato per spingere le carrozze. Il Newcomen fu inventato e brevettato nel 1703 da Thomas Newcomen (1664–1729) e Watt iniziò a costruire modelli in miniatura che utilizzano cilindri a vapore in stagno e pistoni fissati alle ruote motrici mediante un sistema di ingranaggi. Nei suoi esperimenti ha usato, inizialmente, prove da farmacisti e canne vuote per serbatoi di vapore e tubi, e successivamente un digestore di Papin e una siringa comune. Quest'ultima combinazione fece un motore senza condensa, in cui usava il vapore ad una pressione di 15 libbre per pollice quadrato. La valvola veniva lavorata a mano e James Watt vide che era necessario un cambio automatico per realizzare una macchina funzionante. Questo esperimento, tuttavia, non ha portato a risultati pratici e per diversi anni ha abbandonato questa ricerca.

Watt rimase al college fino al 1760, quando iniziò una collaborazione con un commerciante di nome John Craig, finanziato in parte con il Nero. Una loro impresa era la produzione di alcali dal sale: nel 18 ° secolo, gli alcali potevano essere prodotti solo dalle piante. Craig e Watt erano una delle molte persone che cercavano un modo per crearlo chimicamente, uno sforzo che non fu realizzato fino al 1820. Watt e Craig hanno anche lavorato su forni per ceramiche e smalti per la fabbricazione di manufatti in vetro stagno.

Nel 1764, Watt sposò Margaret Millar, conosciuta come Peggy, una cugina che conosceva da quando erano bambini. Avrebbero avuto cinque figli, solo due dei quali vissero fino all'età adulta: Margaret, nata nel 1767, e James III, nato nel 1769, che da adulto sarebbe diventato il principale sostegno e partner commerciale di suo padre.

Durante l'inverno del 1763-1764, John Anderson a Glasgow chiese a Watt di riparare un modello del motore Newcomen. Era in grado di farlo funzionare, ma era curioso di sapere perché la macchina consumasse così tanto vapore e acqua di condensa. Watts iniziò a studiare la storia del motore a vapore e condusse ricerche sperimentali sulle proprietà del vapore.

Il modello di motore a vapore Newcomen aveva una caldaia fatta su misura ed era incapace di fornire abbastanza vapore per alimentare un motore. Aveva un diametro di circa nove pollici; il cilindro del vapore aveva un diametro di due pollici e una corsa del pistone di sei pollici. Watt ha realizzato una nuova caldaia in grado di misurare la quantità di acqua evaporata e il vapore condensato ad ogni colpo del motore.

Watt scoprì presto che il motore richiedeva una piccolissima quantità di vapore per riscaldare una grandissima quantità di acqua. Cominciò immediatamente a determinare con precisione i pesi relativi di vapore e acqua nel cilindro del vapore quando la condensa avveniva durante la corsa del motore. James Watt ha dimostrato indipendentemente l'esistenza di "Calore latente", che era stato scoperto dal suo mentore e sostenitore Joseph Black. Watt è andato a Black con la sua ricerca, che ha condiviso le sue conoscenze con Watt. Watt ha scoperto che, al punto di ebollizione, il suo vapore condensante era in grado di riscaldare sei volte il suo peso di acqua utilizzata per la produzione condensazione.

Rendendosi conto che il peso del vapore per peso era un assorbitore e un serbatoio di calore molto più grandi di acqua, Watt ha visto l'importanza di prestare maggiore attenzione a economizzarla rispetto a prima tentato. Inizialmente, ha economizzato nella caldaia e ha realizzato caldaie con "gusci" di legno per evitare perdite conduzione e radiazione. Ha anche usato un numero maggiore di canne fumarie rispetto a Newcomen per garantire un assorbimento più completo del calore dai gas della fornace. Coprì anche i suoi tubi del vapore con materiali non conduttivi e prese tutte le precauzioni per garantire il completo utilizzo del calore di combustione.

Scoprì presto che le fonti di perdita di calore nel motore Newcomen erano:

• La dissipazione del calore da parte del cilindro stesso, che era di ottone ed era sia un buon conduttore che un buon radiatore.
• La perdita di calore conseguente alla necessità di raffreddare il cilindro ad ogni colpo nel produrre il vuoto.
• La perdita di potenza dovuta alla pressione del vapore sotto il pistone, che era una conseguenza del metodo imperfetto di condensazione.

Il suo primo tentativo di un cilindro di materiale non conduttivo è stato fatto di legno imbevuto d'olio e poi cotto, il che ha aumentato l'economia del vapore. Ha quindi condotto una serie di esperimenti molto accurati sulla temperatura e sulla pressione del vapore misurando la quantità di vapore utilizzata ad ogni colpo del motore. È stato in grado di confermare la sua precedente conclusione che i tre quarti del calore fornito al motore sono stati sprecati.

Dopo le sue ricerche scientifiche, James Watt ha lavorato per migliorare il motore a vapore con una comprensione intelligente dei suoi difetti esistenti e una conoscenza della loro causa. Watt vide presto che per ridurre le perdite nel funzionamento del vapore nel cilindro del vapore, sarebbe necessario trovare un modo per mantenere costantemente caldo il cilindro come il vapore che entrava esso.

Secondo James Watt: "L'idea mi è venuta in mente che, poiché il vapore era un corpo elastico, si sarebbe precipitato nel vuoto e, se un venivano fatte delle comunicazioni tra il cilindro e una nave esausta, vi si precipitava dentro e poteva essere lì condensata senza raffreddarsi il cilindro. Ho quindi visto che dovevo usare un getto, come nel motore di Newcomen, dovevo liberarmi del vapore condensato e dell'acqua di iniezione. Mi sono venute in mente due modi per farlo: in primo luogo, l'acqua potrebbe essere fatta defluire da un tubo discendente, se si potesse ottenere un getto di scarico alla profondità di 35 o 36 piedi e qualsiasi aria potesse essere estratta da una piccola pompa. Il secondo è stato quello di rendere la pompa abbastanza grande da estrarre sia acqua che aria ".

Ha continuato, "Una volta analizzato, l'invenzione non sarebbe sembrata così grande come sembrava. Nello stato in cui ho trovato il motore a vapore, non è stato un grande sforzo mentale osservare che la quantità di carburante necessaria per farlo funzionare avrebbe impedito per sempre la sua ampia utilità. Il passo successivo nei miei progressi fu altrettanto facile: indagare quale fosse la causa del grande consumo di carburante. Anche questo è stato prontamente suggerito, vale a dire, lo spreco di carburante necessario per portare l'intero cilindro, il pistone, e parti adiacenti dalla freddezza dell'acqua al calore del vapore, non meno di 15-20 volte in un minuto. "

James Watt aveva inventato il suo importantissimo condensatore separato. Ha proceduto a fare un test sperimentale della sua nuova invenzione. Il suo piccolo modello ha funzionato molto bene e la perfezione del vuoto è stata tale che la macchina ha sollevato un peso di 18 libbre sospeso dall'asta del pistone. Ha quindi costruito un modello più grande e il risultato del suo test ha confermato i risultati dei suoi primi esperimenti.

Watt ha impiegato anni per capire i dettagli del nuovo motore a vapore. Per cominciare, Watt ha dovuto trovare un modo per impedire al condensatore di riempirsi d'acqua. Ha provato diversi approcci, tra cui una pompa ad aria, che ha alleviato il condensatore dell'acqua e dell'aria che si sono accumulate nel condensatore e ha ridotto il vuoto. Successivamente ha sostituito l'olio e il sego con l'acqua utilizzata per lubrificare il pistone, mantenendo il vapore stretto e impedendo il raffreddamento del cilindro. Un'altra causa di refrigerazione del cilindro e conseguente spreco di energia nel suo funzionamento è stata la entrata d'aria, che seguiva il pistone lungo il cilindro ad ogni colpo, raffreddando il suo interno con il suo contatto. L'inventore ha impedito che ciò accadesse coprendo la parte superiore del cilindro e circondando l'intero cilindro con un esterno involucro o "camicia a vapore" che consentiva al vapore della caldaia di passare attorno al cilindro del vapore e premere sulla superficie superiore del pistone.

Dopo aver costruito il suo più grande motore sperimentale, Watt affittò una stanza in un vecchio cottage deserto. Lì, ha lavorato con il meccanico Folm Gardiner. Watt aveva appena incontrato John Roebuck, un ricco medico, che aveva recentemente fondato, insieme ad altri capitalisti scozzesi, il celebre Carron Iron Works. Roebuck ha iniziato a sostenere gli sforzi di Watt finanziariamente e Watt ha spesso scritto a Roebuck descrivendo i suoi progressi.

Nell'agosto 1765, provò il piccolo motore e scrisse a Roebuck che aveva "un buon successo", sebbene la macchina fosse molto imperfetta, e informò Roebuck che stava iniziando a realizzare il modello più grande. Nell'ottobre 1765, finì il grande motore a vapore. Il motore, mentre era pronto per la prova, era ancora tutt'altro che perfetto. Tuttavia ha fatto un buon lavoro per una macchina così grezza.

Sfortunatamente, nel 1765, James Watt fu ridotto in povertà e, dopo aver preso in prestito ingenti somme dagli amici, alla fine dovette cercare un lavoro per provvedere alla sua famiglia. Per un periodo di circa due anni, si è sostenuto come ingegnere civile, rilevando e gestendo l'edificio di diversi canali in Scozia ed esplorando i giacimenti di carbone nel quartiere di Glasgow per i magistrati del città. Tuttavia, non rinunciò completamente alla sua invenzione.

Nel 1767, Roebuck si assunse le passività di Watt per un importo di 1.000 sterline britanniche e accettò di fornire più capitale in cambio di due terzi del brevetto di Watt. Un altro motore fu costruito con un cilindro del vapore di sette o otto pollici di diametro, che fu terminato nel 1768. Ciò ha funzionato sufficientemente bene da indurre i partner a chiedere un brevetto e le specifiche e i disegni sono stati completati e presentati nel 1769.

Watt ha anche costruito e installato diversi motori Newcomen, in parte, forse, per familiarizzare con i dettagli pratici della costruzione del motore. Nel frattempo, ha preparato piani per e costruito un motore moderatamente grande del suo nuovo tipo. Il suo cilindro del vapore aveva un diametro di 18 pollici e la corsa del pistone era di 5 piedi. Questo motore fu costruito a Kinneil e fu terminato nel settembre 1769. Non era tutto soddisfacente né nella sua costruzione né nel suo funzionamento. Il condensatore era un condensatore di superficie composto da tubi un po 'come quelli usati nel suo primo piccolo modello e non si è rivelato soddisfacentemente stretto. Il pistone a vapore perdeva seriamente e ripetute prove servivano solo a rendere più evidenti le sue imperfezioni. Fu assistito con sostegno finanziario e morale sia da Joseph Black che da John Roebuck, ma lo sentì fortemente sui rischi che correva nel coinvolgere i suoi amici in gravi perdite e divenne molto scoraggiato.

Scrivendo a Black, Watt disse: "Di tutte le cose nella vita, non c'è niente di più folle che inventare; e probabilmente la maggior parte degli inventori è stata condotta alla stessa opinione dalle proprie esperienze ".

Nel 1768, James Watt si recò a Londra per ottenere il brevetto e sulla strada incontrò Matthew Boulton. Boulton era il proprietario di un'azienda manifatturiera di Birmingham conosciuta come la Soho Manufactory, che produceva piccoli articoli in metallo. Aveva ereditato le attività di suo padre e le aveva costruite considerevolmente. Lui e la sua attività erano molto conosciuti nel movimento dell'illuminazione inglese della metà del XVIII secolo.

Boulton era un buon studioso, con una notevole conoscenza delle lingue e della scienza - in particolare della matematica - nonostante avesse lasciato la scuola da ragazzo per andare a lavorare nella bottega di suo padre. Nel negozio, ha presto introdotto una serie di preziosi miglioramenti ed è sempre stato alla ricerca di altre idee che potrebbero essere introdotte nella sua attività.

Era anche un membro del famoso Società lunare di Birmingham, un gruppo di uomini che si sono incontrati per discutere insieme di filosofia naturale, ingegneria e sviluppo industriale: altri membri hanno incluso lo scopritore di ossigeno Joseph Priestley,Erasmus Darwin (nonno di Charles Darwin) e il vasaio sperimentale Josiah Wedgewood. Watt si unì al gruppo dopo essere diventato partner di Boulton.

Uno studioso sgargiante ed energico, Boulton fece conoscenza Benjamin Franklin nel 1758, che visitò quindi Soho. Nel 1766, questi illustri uomini erano corrispondenti, discutendo tra l'altro dell'applicabilità della potenza del vapore a vari scopi utili. Progettarono un nuovo motore a vapore e Boulton costruì un modello, che fu inviato a Franklin ed esposto da lui a Londra. Dovevano ancora prendere coscienza dell'esistenza di James Watt.

Quando Boulton incontrò Watt nel 1768, gli piaceva il suo motore e decise di acquistare un interesse per il brevetto. Con il consenso di Roebuck, Watt offrì a Boulton un terzo di interesse. Sebbene ci fossero diverse complicazioni, alla fine Roebuck propose di trasferire a Matthew Boulton metà della sua proprietà nelle invenzioni di Watt per la somma di 1.000 sterline. Questa proposta fu accettata nel novembre 1769.

Nel novembre del 1774, Watt annunciò finalmente al suo vecchio compagno Roebuck di aver effettuato con successo una prova del motore Kilmeil. Non ha scritto con il suo solito entusiasmo e stravaganza; invece, ha semplicemente scritto: "L'autopompa antincendio che ho inventato ora sta funzionando e risponde molto meglio di qualsiasi altro che sia stato ancora realizzato, e mi aspetto invenzione sarà molto utile per me ".

Uno dei motivi della sua mancanza di entusiasmo era che sua moglie era morta durante il parto l'anno precedente, nel settembre 1773. Heartsick, Watt si seppellì nel lavoro. Da metà febbraio 1774 lavorava a termometri e barometri. Ha terminato la sua attività di ingegneria civile in Scozia (in parte a causa di una crisi finanziaria in Scozia) e in maggio si è recato a sud di Birmingham, dove è entrato a far parte della Lunar Society. Nel 1775, iniziò una collaborazione a tempo pieno con Matthew Boulton.

Da quel momento in poi, la ditta Boulton e Watt è stata in grado di produrre una gamma di motori funzionanti con applicazioni del mondo reale. Sono state rilasciate nuove innovazioni e brevetti per macchine che potrebbero essere utilizzate per la macinazione, la tessitura e la fresatura. I motori a vapore sono stati utilizzati per il trasporto su terra e acqua. Quasi ogni invenzione di successo e importante che ha segnato il storia della potenza del vapore per molti anni ha avuto origine nelle officine Boulton e Watt.

Il lavoro di Watt con Boulton lo ha trasformato in una figura di statura internazionale tra uomini di lettere. Il suo brevetto di 25 anni gli ha portato ricchezza; e lui e Boulton sono diventati leader nell'Illuminismo tecnologico in Inghilterra, con una solida reputazione per l'ingegneria innovativa. Watt sposò Ann Macgregor nel 1776 e avevano due figli (Gregory e Jessy), entrambi morti giovani. James Watt Jr., suo figlio dalla sua prima moglie, sopravvisse a suo padre e continuò ad avere un ruolo nella continua illuminazione inglese.

Come risultato della sua collaborazione con Matthew Boulton, James Watt divenne un uomo molto ricco, costruendo un elegante palazzo noto come "Heathfield House" a Handsworth, nello Staffordshire. Si ritirò nel 1800 e trascorse il resto della sua vita nel tempo libero e viaggiando per visitare amici e parenti. Muore il 25 agosto 1819 a Heathfield. Fu sepolto nel cimitero della chiesa di Santa Maria a Handsworth.

In un modo molto significativo, le invenzioni di Watt hanno spronato la rivoluzione industriale e le innovazioni del età moderna, che va dalle automobili e dai treni alle fabbriche e alle questioni sociali che si sono evolute come a risultato. Inoltre, il nome di Watt è stato assegnato a strade, musei e scuole. La sua storia ha ispirato libri, film e opere d'arte, tra cui statue nei Piccadilly Gardens e nella Cattedrale di St. Paul.

Sulla statua di San Paolo sono incise le parole: "James Watt... allargò le risorse del suo paese, aumentò il potere dell'uomo, e salì a un posto eminente tra i più illustri seguaci della scienza e i veri benefattori del mondo."

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