سيرة جيمس وات ، مخترع محرك البخار الحديث

كان جيمس وات (19 يناير 1736 - 25 أغسطس 1819) مخترعًا ومهندسًا وكيميائيًا اسكتلنديًا. طور عملي محرك بخاري التي تستخدم مكثف منفصل ؛ جعل هذا الابتكار المحرك البخاري أداة مفيدة لمجموعة واسعة من الاستخدامات. من نواح عديدة ، كان اختراع وات - أو بالأحرى تحسنه على اختراع سابق ، المحرك البخاري نيوكومين - الدافع التكنولوجي وراء ثورة صناعية.

حقائق سريعة: جيمس وات

ولد جيمس وات في 19 يناير 1736 ، في غرينوك ، اسكتلندا ، باعتباره الطفل الوحيد الباقي لأربعة من جيمس وات (1699-1737) وأغنيس مويرهيد (1901-1754). كانت جرينوك قرية صيد أصبحت خلال حياة وات مدينة مزدحمة بأسطول من البواخر. كان جد جيمس جونيور توماس وات (1642-1734) عالم رياضيات معروف ومدير مدرسة محلي. كان James Sr. مواطنًا بارزًا في Greenock ونجارًا ناجحًا ومديرًا للسفينة عملوا في تجهيز السفن والعمل على أدواتهم وبوصلاتهم وأرباعهم. في أوقات مختلفة ، كان جيمس الأب أيضًا رئيسًا للقاضي وأمينًا للمدينة.

كان جيمس وات ذكيًا ، ولكن بسبب سوء صحته لم يكن قادرًا على الذهاب إلى المدرسة بانتظام. بدلاً من ذلك ، اكتسب المهارات التي سيحتاجها لاحقًا هندسة والأدوات من خلال العمل مع والده في مشاريع النجارة. في سن السادسة ، كان جيمس وات يحل مشاكل هندسية ويقوم بأبحاثه المبكرة في طبيعة البخار ، التي تنطوي على تجربة غلاية الشاي الخاصة بوالدته. في الصغر ، كان وات قارئا متعطشا ووجد شيئا يثير اهتمامه في كل كتاب جاء بين يديه.

عندما تم إرسال وات أخيرًا إلى مدرسة القرية ، حالت صحته السيئة دون إحراز تقدم سريع ؛ فقط عندما كان عمره 13 أو 14 عامًا بدأ في إظهار قدراته ، خاصة في الرياضيات. قضى وقت فراغه في الرسم بقلم الرصاص والنحت والعمل على مقعد الأدوات بالخشب والمعدن. قام بالعديد من الأعمال الميكانيكية البارعة وبعض النماذج الجميلة ، واستمتع بإصلاح الأدوات البحرية.

بعد وفاة والدته عام 1754 ، تم إرسال وات البالغ من العمر 18 عامًا إلى غلاسكو للتدريب كتاجر مع عمه جون مويرهيد. كان أحد أقارب والدته رئيس قسم اللغات الشرقية والعلوم الإنسانية في كلية غلاسكو ، وأصبح وات عضوًا في المجتمع الأدبي هناك. التقى أيضًا بعلماء آخرين في غلاسكو الذين أثبتوا أنهم مؤثرون وداعمون لحياته المهنية: روبرت ديك، أستاذ الفلسفة الطبيعية ، روبرت سيمبسون في الرياضيات ، ووليام كولين في الطب والكيمياء.

كان ديك هو الذي اقترح أن يذهب وات إلى لندن للحصول على التدريب كصانع أدوات الرياضيات. مع خطاب تعريف ، غادر وات إلى لندن في عام 1755 وبدأ في العمل مع صانع الآلات جون مورغان. لم يكن وات مبتدئًا رسميًا ، لكنه عمل على الأجهزة الميكانيكية: اعتقد مورغان أنه موهوب ولكنه استغرق وقتًا طويلاً لإكمال عمله. انتهى العمل مع مورغان في يونيو 1756 وحصل عليه ديك على وظيفة قصيرة المدى للعمل على ساعة فلكية تعكس التلسكوبات وأدوات العبور. عاد واط إلى جرينوك في نهاية العام ، لكنه سرعان ما عاد إلى غلاسكو حيث بدأ نشاطًا تجاريًا صغيرًا في صناعة الأرباع. تم تعيينه صانع أدوات رياضية في كلية غلاسكو ، بدعم من استبدال ديك جون أندرسون ، وبديل كولين والكيميائي جوزيف بلاك (1728–1799). يشتهر الأسود بعمله على درجات الحرارة الكامنة والخاصة واكتشافه لثاني أكسيد الكربون ، وكان سيصبح مؤيدًا قويًا لـ Watt.

في عام 1759 ، أظهر جون روبيسون ، وهو طالب في غلاسكو ، وات نموذجًا لـ محرك نيوكومين البخاري واقترح أنه يمكن استخدامه لدفع العربات. قام توماس نيوكومين (1664-1729) باختراع براءة الاختراع الجديدة وبراءة اختراعها في عام 1703 ، وبدأ وات في البناء نماذج مصغرة تستخدم اسطوانات البخار والمكابس المرفقة بعجلات القيادة بواسطة نظام التروس. في تجاربه الخاصة ، استخدم في البداية تجارب الصيدليات والقصب المجوفة لخزانات وأنابيب البخار ، وبعد ذلك هضم بابين وحقنة مشتركة. صنع المزيج الأخير محركًا غير مكثف ، استخدم فيه البخار عند ضغط 15 رطلاً لكل بوصة مربعة. تم عمل الصمام يدويًا ، ورأى جيمس وات أن هناك حاجة إلى معدات صمام أوتوماتيكية لصنع آلة عمل. ومع ذلك ، لم تؤد هذه التجربة إلى أي نتيجة عملية ، وقد تخلى عن هذا البحث في السنوات العديدة القادمة.

بقي وات مع الكلية حتى 1760 ، عندما تولى شراكة مع تاجر يدعى جون كريج ، بتمويل جزئي مع بلاك. أحد مشاريعهم كان إنتاج القلويات من الملح - في القرن الثامن عشر ، كان يمكن إنتاج القلويات فقط من النباتات. كان كريج ووات واحدًا من عدة أشخاص يبحثون عن طريقة لإنشائه كيميائيًا ، وهو جهد لم يتحقق حتى عام 1820. عمل Watt و Craig أيضًا على أفران الفخار والطلاء الزجاجي لصنع أدوات دلفيت زجاجية.

في عام 1764 ، تزوج وات من مارغريت ميلار ، المعروفة باسم Peggy ، وهو ابن عم عرفه منذ أن كانا أطفالًا. كان لديهم خمسة أطفال ، فقط اثنان منهم عاشوا حتى سن البلوغ: مارغريت ، المولودة عام 1767 ، وجيمس الثالث ، المولود عام 1769 ، والذي سيصبح كشخص الدعم الرئيسي لوالده وشريكه التجاري.

خلال شتاء 1763-1764 ، طلب جون أندرسون من غلاسكو من واط إصلاح نموذج لمحرك Newcomen. كان قادرًا على تشغيلها ، لكنه كان فضوليًا بشأن سبب استهلاك الآلة للكثير من البخار وتكثيف المياه. بدأ واتس في دراسة تاريخ المحرك البخاري وأجرى بحثًا تجريبيًا على خصائص البخار.

كان نموذج المحرك البخاري Newcomen يحتوي على مرجل تم تصنيعه على نطاق واسع وكان غير قادر على توفير ما يكفي من البخار لتشغيل المحرك. كان قطرها حوالي تسعة بوصات. كانت قطر أسطوانة البخار بوصتين ولها شوط مكبس ست بوصات. صنع وات غلاية جديدة يمكنها قياس كمية الماء المتبخر والبخار المكثف عند كل شوط للمحرك.

سرعان ما اكتشف وات أن المحرك يتطلب كمية صغيرة جدًا من البخار لتسخين كمية كبيرة جدًا من الماء. بدأ على الفور في تحديد الأوزان النسبية للبخار والماء في أسطوانة البخار بدقة عندما حدث التكثيف عند السكتة الدماغية السفلية للمحرك. أثبت جيمس وات بشكل مستقل وجود "الحرارة الكامنة"التي اكتشفها معلمه ومؤيده جوزيف بلاك. ذهب وات إلى بلاك مع بحثه ، الذي تقاسم معرفته مع وات. وجد وات أن في نقطة الغليانكان بخار التكثيف قادرًا على تسخين ستة أضعاف وزن الماء المستخدم في الإنتاج تركيز.

إدراك أن وزن البخار للوزن كان ممتصًا وخزانًا للحرارة أكبر بكثير الماء ، رأى وات أهمية إيلاء اهتمام أكبر لاقتصادها مما كان عليه من قبل حاول. في البداية ، قام بالاقتصاد في الغلاية وصنع الغلايات مع "قذائف" خشبية من أجل منع الخسائر من قبل توصيل و إشعاع. كما استخدم عددًا أكبر من المداخن من Newcomen الذي كان عليه تأمين امتصاص أكثر اكتمالاً للحرارة من غازات الفرن. كما قام بتغطية أنابيب البخار الخاصة به بمواد غير موصلة وأخذ كل الاحتياطات لتأمين الاستفادة الكاملة من حرارة الإحتراق.

سرعان ما اكتشف أن مصادر فقدان الحرارة في محرك Newcomen كانت:

• تبديد الأسطوانة نفسها للحرارة ، والتي كانت من النحاس الأصفر وكانت موصلًا جيدًا ومبردًا جيدًا.
• يترتب على فقدان الحرارة ضرورة تبريد الأسطوانة عند كل شوط في إنتاج مكنسة كهرباء.
• فقدان الطاقة بسبب ضغط البخار تحت المكبس ، والذي كان نتيجة للطريقة غير المكثفة للتكثيف.

كانت محاولته الأولى لأسطوانة من المواد غير الموصلة مصنوعة من الخشب المنقوع في الزيت ثم خبزه ، مما زاد من اقتصاد البخار. ثم أجرى سلسلة من التجارب الدقيقة للغاية على درجة حرارة وضغط البخار عن طريق قياس كمية البخار المستخدمة في كل شوط من المحرك. كان قادراً على تأكيد استنتاجه السابق بأن ثلاثة أرباع الحرارة التي تم توفيرها للمحرك تم إهدارها.

بعد تحقيقاته العلمية ، عمل جيمس وات على تحسين المحرك البخاري بفهم ذكي لعيوبه الموجودة ومعرفة أسبابها. سرعان ما رأى واط أنه من أجل تقليل الخسائر في عمل البخار في أسطوانة البخار ، سيكون من الضروري إيجاد طريقة للإبقاء على الأسطوانة ساخنة مثل البخار الذي يدخل عليه.

وفقًا لجيمس وات: "فكرت في ذهني أنه نظرًا لأن البخار كان جسمًا مرنًا ، فإنه سوف يندفع إلى فراغ ، وإذا تم إجراء اتصال بين الأسطوانة وسفينة مستنفدة ، فإنها ستندفع إليها ، وقد تكون هناك مكثفة بدون تبريد الاسطوانة. ثم رأيت أنه يجب أن أتخلص من البخار المكثف ومياه الحقن إذا استخدمت طائرة ، كما هو الحال في محرك Newcomen. حدث لي طريقتان للقيام بذلك: أولاً ، قد يتم تشغيل الماء بواسطة أنبوب هابط ، إذا كان من الممكن الحصول على نفاثة على عمق 35 أو 36 قدمًا ، ويمكن استخراج أي هواء بواسطة مضخة صغيرة. والثاني هو جعل المضخة كبيرة بما يكفي لاستخراج الماء والهواء. "

وتابع: "عند تحليله ، لن يبدو الاختراع عظيماً كما يبدو. في الحالة التي وجدت فيها المحرك البخاري ، لم يكن هناك جهد كبير في الاعتبار لملاحظة أن كمية الوقود اللازمة لتشغيله ستمنع إلى الأبد فائدته الواسعة. كانت الخطوة التالية في تقدمي سهلة بنفس القدر - للاستفسار عن سبب الاستهلاك الكبير للوقود. هذا ، أيضًا ، تم اقتراحه بسهولة ، أي ، نفايات الوقود التي كانت ضرورية لجلب الأسطوانة بأكملها ، المكبس ، والأجزاء المجاورة من برودة الماء إلى حرارة البخار ، ما لا يقل عن 15 إلى 20 مرة في الدقيقة ".

قام جيمس وات باختراع مكثف منفصل مهم للغاية. وشرع في إجراء اختبار تجريبي لاختراعه الجديد. كان نموذجه الصغير يعمل بشكل جيد للغاية ، وكان الكمال في الفراغ بحيث رفعت الآلة وزن 18 رطلاً معلقًا من قضيب المكبس. ثم قام ببناء نموذج أكبر ، وأكدت نتيجة اختباره نتائج تجاربه الأولى.

استغرق الأمر سنوات لو وات لمعرفة تفاصيل المحرك البخاري الجديد. بادئ ذي بدء ، كان على واط أن يجد طريقة لمنع المكثف من الامتلاء بالماء. جرب العديد من الأساليب ، بما في ذلك مضخة الهواء ، التي خففت مكثف الماء والهواء الذي تم جمعه في المكثف وقلل من الفراغ. بعد ذلك استبدل الزيت والشحم بالماء المستخدم لتزييت المكبس ، مع الحفاظ على البخار محكمًا ومنع تبريد الأسطوانة. سبب آخر لتبريد الاسطوانة وما يترتب على ذلك من نفايات للطاقة في تشغيلها كان مدخل الهواء ، الذي يتبع المكبس إلى أسفل الأسطوانة عند كل شوط ، يبرد الداخل من الداخل اتصل. منع المخترع ذلك من الحدوث من خلال تغطية الجزء العلوي من الاسطوانة وإحاطة الاسطوانة بأكملها بأخرى خارجية غلاف ، أو "سترة بخارية" تسمح للبخار من المرجل بالمرور حول أسطوانة البخار والضغط على السطح العلوي مكبس.

بعد بناء محركه التجريبي الأكبر ، استأجر واط غرفة في منزل ريفي مهجور قديم. هناك ، عمل مع ميكانيكي فولم جاردينر. كان وات قد التقى للتو بجون ريبوك ، وهو طبيب ثري ، قام ، مع رأسماليين آخرين من سكوتش ، بتأسيس شركة كارون للحديد المشهورة. بدأ Roebuck في دعم جهود وات مالياً وكثيراً ما كتب وات إلى Roebuck يصف تقدمه.

في أغسطس 1765 ، جرب المحرك الصغير وكتب Roebuck أنه حقق "نجاحًا جيدًا" ، على الرغم من أن الآلة كانت ناقصة للغاية ، وأبلغ Roebuck أنه بدأ في صنع النموذج الأكبر. في أكتوبر 1765 ، أنهى المحرك البخاري الكبير. المحرك ، على الرغم من استعداده للمحاكمة ، كان لا يزال بعيدًا عن الكمال. ومع ذلك ، فقد قامت بعمل جيد لمثل هذه الآلة الخام.

لسوء الحظ ، بحلول عام 1765 ، تحول جيمس وات إلى فقر ، وبعد اقتراض مبالغ كبيرة من الأصدقاء ، اضطر أخيرًا إلى البحث عن عمل من أجل إعالة أسرته. خلال فترة حوالي عامين ، دعم نفسه كمهندس مدني ، ومسح وإدارة المبنى عدة قنوات في اسكتلندا واستكشاف حقول الفحم في حي غلاسكو لقضاة مدينة. ومع ذلك ، لم يتخل تمامًا عن اختراعه.

في عام 1767 ، افترض Roebuck التزامات Watt بمبلغ 1000 جنيه استرليني ووافق على توفير المزيد من رأس المال في مقابل ثلثي براءة Watt. تم بناء محرك آخر بأسطوانة بخارية بقطر سبع أو ثماني بوصات ، وانتهى عام 1768. نجح هذا بشكل كافٍ في حث الشركاء على طلب براءة اختراع ، وتم استكمال المواصفات والرسومات وعرضها في عام 1769.

قام Watt أيضًا ببناء وإعداد العديد من محركات Newcomen ، جزئيًا ، ربما ، ليجعل نفسه أكثر إلمامًا بالتفاصيل العملية لبناء المحرك. في هذه الأثناء ، أعد خططًا وصمم محركًا كبيرًا باعتدال من نوعه الجديد. كان قطر أسطوانة البخار 18 بوصة ، وكان شوط المكبس 5 أقدام. تم بناء هذا المحرك في Kinneil وانتهى في سبتمبر 1769. لم يكن كل ذلك مرضيا سواء في بنائه أو في تشغيله. كان المكثف عبارة عن مكثف سطحي يتكون من أنابيب تشبه إلى حد ما تلك المستخدمة في أول نموذج صغير له ولم يثبت أنه ضيق بشكل مرضٍ. تسرب المكبس البخاري على محمل الجد ، ولم تساعد التجارب المتكررة إلا في جعل عيوبه أكثر وضوحًا. حصل على الدعم المالي والمعنوي من قبل جوزيف بلاك وجون رويبوك ، لكنه شعر بقوة حول المخاطر التي تعرض لها من تورط أصدقائه في خسائر فادحة وأصبح شديد يائسة.

قال وات للكتابة على الأسود: "من بين كل الأشياء في الحياة ، ليس هناك شيء أكثر حماقة من الاختراع. وربما قادت غالبية المخترعين إلى نفس الرأي من خلال تجاربهم الخاصة ".

في عام 1768 ، سافر جيمس وات إلى لندن للحصول على براءة اختراعه ، وفي الطريق التقى ماثيو بولتون. كان بولتون مالكًا لشركة برمنغهام الصناعية المعروفة باسم Soho Manufactory ، والتي صنعت السلع المعدنية الصغيرة. لقد ورث أعمال والده وبنيها بشكل كبير. كان هو وأعماله معروفين جدًا في حركة التنوير الإنجليزية في منتصف القرن الثامن عشر.

كان بولتون عالمًا جيدًا ، ولديه معرفة كبيرة باللغات والعلوم - وخاصة الرياضيات - على الرغم من تركه المدرسة كصبي للذهاب للعمل في متجر والده. في المتجر ، قدم قريبًا عددًا من التحسينات القيمة وكان دائمًا يبحث عن أفكار أخرى قد يتم إدخالها في أعماله.

كان أيضًا عضوًا مشهورًا جمعية القمر برمنغهاممجموعة من الرجال الذين التقوا لمناقشة الفلسفة الطبيعية والهندسة والتنمية الصناعية معًا: من بين الأعضاء الآخرين مكتشف الأكسجين جوزيف بريستلي ،ايراسموس داروين (جد تشارلز داروين) ، والخزاف التجريبي جوشيا ويدجوود. انضم وات إلى المجموعة بعد أن أصبح شريكًا لبولتون.

عالمة ملتهبة وحيوية ، تعرّف بولتون على بنجامين فرانكلين عام 1758 ، الذي زار سوهو. بحلول عام 1766 ، كان هؤلاء الرجال المتميزون يتطابقون ، وناقشوا ، من بين أمور أخرى ، إمكانية تطبيق الطاقة البخارية على أغراض مفيدة مختلفة. قاموا بتصميم محرك بخاري جديد وبنى بولتون نموذجًا ، تم إرساله إلى فرانكلين وعرضه في لندن. كان عليهم أن يدركوا بعد وجود جيمس وات.

عندما التقى بولتون وات في عام 1768 ، أحب محركه وقرر شراء مصلحة في براءة الاختراع. بموافقة روبوك ، عرضت وات على بولتون حصة الثلث. على الرغم من وجود العديد من التعقيدات ، اقترح روبوك في نهاية المطاف أن ينقل إلى ماثيو بولتون نصف ملكيته في اختراعات وات مقابل مبلغ 1000 جنيه استرليني. تم قبول هذا الاقتراح في نوفمبر 1769.

في نوفمبر 1774 ، أعلن وات أخيرًا لشريكه القديم روبوك أنه أجرى تجربة ناجحة لمحرك كيلميل. لم يكتب بحماسته المعتادة وبذخه. بدلاً من ذلك ، كتب ببساطة: "إن سيارة الإطفاء التي اخترعتها تعمل الآن ، وتجيب بشكل أفضل بكثير من أي محرك آخر تم صنعه حتى الآن ، وأتوقع أن اختراع ستكون مفيدة جدا لي ".

أحد أسباب افتقاره إلى الحماس هو وفاة زوجته أثناء الولادة في العام السابق ، في سبتمبر 1773. هارتسيك ، دفن وات نفسه في العمل. من منتصف فبراير 1774 كان يعمل على موازين الحرارة والمقاييس. أنهى أعمال الهندسة المدنية في اسكتلندا (جزئياً بسبب أزمة مالية في اسكتلندا) وفي مايو سافر جنوباً إلى برمنغهام ، حيث انضم إلى جمعية القمر. في عام 1775 ، دخل في شراكة بدوام كامل مع ماثيو بولتون.

من تلك النقطة إلى الأمام ، تمكنت شركة بولتون ووات من إنتاج مجموعة من محركات العمل ذات التطبيقات الواقعية. تم ابتكار براءات اختراع وبراءات اختراع جديدة للآلات التي يمكن استخدامها في الطحن والنسيج والطحن. تم استخدام المحركات البخارية للنقل على الأرض والمياه. تقريبا كل اختراع ناجح ومهم تميز تاريخ قوة البخار لسنوات عديدة نشأت في ورشتي بولتون ووات.

حوله عمل وات مع بولتون إلى شخصية مكانة دولية بين رجال الحروف. جلبت براءة اختراعه التي امتدت 25 عامًا الثروة له ؛ وأصبح هو وبولتون رائدين في التنوير التكنولوجي في إنجلترا ، بسمعة راسخة في الهندسة المبتكرة. تزوج واط من آن ماكجريجور في عام 1776 وأنجبا طفلين (غريغوري وجيسي) ، وكلاهما سيموتان صغيرين. جيمس وات جونيور ، ابنه من زوجته الأولى ، نجا من والده واستمر في لعب دور في التنوير الإنجليزي المستمر.

نتيجة لشراكته مع ماثيو بولتون ، أصبح جيمس وات رجلًا ثريًا جدًا ، حيث قام ببناء قصر أنيق يعرف باسم "Heathfield House" في هاندسوورث ، ستافوردشاير. تقاعد في عام 1800 وقضى بقية حياته في أوقات الفراغ والسفر لزيارة الأصدقاء والعائلة. توفي في 25 أغسطس 1819 ، في هيثفيلد. دفن في مقبرة كنيسة سانت ماري في هاندسوورث.

بطريقة ذات مغزى كبير ، حفزت اختراعات وات على الثورة الصناعية وابتكارات العصر الحديث ، بدءا من السيارات والقطارات إلى المصانع والقضايا الاجتماعية التي تطورت باعتبارها أ نتيجة. بالإضافة إلى ذلك ، تم ربط اسم وات بالشوارع والمتاحف والمدارس. ألهمت قصته الكتب والأفلام والأعمال الفنية ، بما في ذلك التماثيل في حدائق بيكاديللي وكاتدرائية القديس بولس.

على التمثال في سانت بول محفورة الكلمات: "جيمس وات... توسيع موارد بلاده ، وزيادة قوة الإنسان ، وصعد إلى مكان مرموق بين أتباع العلم اللامعين والمستفيدين الحقيقيين من العالمية."

• جونز ، بيتر م. "العيش في التنوير والثورة الفرنسية: جيمس وات وماثيو بولتون وأولادهم." المجلة التاريخية 42.1 (1999): 157–82. طباعة.
• هيلز ، ريتشارد ل. "الطاقة من البخار: تاريخ المحرك البخاري الثابت." كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج ، 1993.
• ميلر ، ديفيد فيليب. ""النفخ جيمي": الأهمية التجارية والأيديولوجية لكونك "فيلسوفًا" في حالة سمعة جيمس وات (1736-1819)." تاريخ العلوم 38.1 (2000): 1–24. طباعة.
• "حياة وأسطورة جيمس وات: التعاون والفلسفة الطبيعية وتحسين المحرك البخاري." بيتسبرغ: مطبعة جامعة بيتسبرغ ، 2019.
• بوج وجنيفر س وجون هدسون. "العمل الكيميائي لجيمس وات ، FRS." ملاحظات وسجلات الجمعية الملكية في لندن 40.1 (1985): 41–52. طباعة.
• راسل ، بن. "جيمس وات: جعل العالم من جديد." لندن: متحف العلوم ، 2014.
• رايت ، مايكل. "جيمس وات: صانع آلات موسيقية." مجلة مجتمع Galpin 55 (2002): 104–29. طباعة.