James Watt
| Wetenschapper | |||
| |||
| Portret van Watt (1736-1819)
door Carl Frederik von Breda | |||
| Persoonlijke info | |||
|---|---|---|---|
| Volledige naam | James Watt | ||
| Geboren | 30 januari 1736 | ||
| Geboorteplaats | Greenock, Renfrewshire | ||
| Geboorteland | Schotland | ||
| Overleden | 25 augustus 1819 | ||
| Overleden te | Handsworth, Birmingham, Engeland | ||
| Gehuwd met / relatie |
Margaret Miller (huw. 1764–1773 haar dood)
Anne McGrigor (huw. 1776–1819 zijn dood) | ||
| Bekend van | |||
| Vakgebied | Wiskunde, werktuigbouwkunde, scheikunde | ||
| Actief | Universiteit van Glasgow, Boulton en Watt | ||
| Bekend van | Watt stoommachine, Aparte condensor, Parallelle beweging
Zonne- en planeetwiel (met William Murdoch), Centrifugaalregelaar, Indicatordiagram (met John Southern) | ||
| |||
James Watt (30 januari 1736 - 25 augustus 1819) was een Schotse uitvinder, werktuigbouwkundig ingenieur en chemicus die de Newcomen-stoommachine van Thomas Newcomen uit 1712 verbeterde met zijn Watt-stoommachine in 1776, die de grondslag was voor de veranderingen die de industriële revolutie in zowel zijn geboorteland Groot-Brittannië als de rest van de wereld in gang zou brengen.
Het vroege leven en onderwijs
James Watt werd geboren op 19 januari 1736 in Greenock, Renfrewshire, Schotland. Hij was de oudste van de 5 overlevende kinderen van Agnes Muirhead (1703-1755) en James Watt (1698-1782). Zijn moeder kwam uit een voorname familie, was goed opgeleid en had een krachtig karakter. Zijn vader was scheepstimmerman, reder en aannemer en in 1751 diende hij als opperbevelhebber van het leger van Greenock. Watts ouders waren Presbyterianen en sterke Covenanters, maar ondanks een religieuze opvoeding werd hij later een zogeheten deïst (geloof in het bestaan van God uitsluitend gebaseerd op rationeel denken).
Aanvankelijk kreeg James thuis les van zijn moeder, later ging hij naar de Greenock Grammar School. Daar liet hij zien dat hij aanleg voor wiskunde had, terwijl Latijn en Grieks hem niet interesseerden.
Er wordt gezegd dat hij als kind langdurige perioden een slechte gezondheid moet hebben gehad en zijn hele leven regelmatig hoofdpijn heeft gehad.
Na het verlaten van de school werkte Watt in de werkplaatsen van de bedrijven van zijn vader, waarbij hij opviel door zijn behoorlijke behendigheid en vaardigheid in het maken van technische modellen. Nadat zijn vader een aantal mislukte zakelijke ondernemingen had meegemaakt, verliet Watt Greenock om in Glasgow werk te zoeken als maker van wiskundige instrumenten.
Verdere leven
Toen hij 18 was, stierf zijn moeder en begon de gezondheid van zijn vader achteruit te gaan. James reisde naar Londen en kon een jaar lang een opleiding tot instrumentmaker volgen (1755/56). Daarna keerde hij terug naar Schotland en vestigde zich in de grote handelsstad Glasgow, met de bedoeling zijn eigen instrumentmakerij op te richten. Hij was nog erg jong en omdat hij geen volledige leertijd had gehad, had hij niet de gebruikelijke netwerken via een voormalige docent/meester om zich te vestigen als een gezel- instrumentmaker.
James werd uit deze situatie gered door de komst van astronomische instrumenten uit Jamaica, die door Alexander MacFarlane waren nagelaten aan de Universiteit van Glasgow. Het waren instrumenten die deskundige aandacht nodig hadden. James herstelde ze en kreeg ze weer erkend. Hiervoor kreeg hij een vergoeding. Deze instrumenten werden uiteindelijk gebruikt in het Macfarlane Observatorium (sterrenwacht). Vervolgens boden drie hoogleraren hem de kans om binnen de universiteit een kleine werkplaats op te zetten. Het werd gestart in 1757 en twee van de professoren, de natuurkundige en scheikundige Joseph Black, evenals de beroemde econoom Adam Smith, werden vrienden van James.
Aanvankelijk hield hij zich bezig met het onderhouden en repareren van wetenschappelijke instrumenten die op de universiteit worden gebruikt. Hij hielp bij demonstraties (uitleggen hoe iets werkt) en het uitbreiden van de productie van kwadranten (een instrument dat wordt gebruikt om hoeken tot 90° te meten, zeg maar een grote geodriehoek). Hij maakte en repareerde onder andere messing reflecterende kwadranten, parallelle linialen, schalen, onderdelen voor telescopen en barometers.
In 1759 ging hij een partnerschap aan met John Craig , een architect en zakenman, om muziekinstrumenten en speelgoed te maken en te verkopen. Dit partnerschap duurde de volgende zes jaar en bood werk aan 16 werknemers. Craig stierf in 1765. Een werknemer, Alex Gardner, nam uiteindelijk het bedrijf over, dat tot in de 20e eeuw voortduurde.
Huwelijken en gezin
In 1764 trouwde Watt met zijn nicht Margaret (Peggy) Miller, met wie hij 5 kinderen kreeg, van wie er 2 volwassen werden: James Jr. (1769-1848) en Margaret (1767-1796). Zijn vrouw overleed in het kraambed in 1772.
In 1777, trouwde hij opnieuw, met Ann MacGregor, dochter van een Glasgow kleurstof -maker, met wie hij 2 kinderen: Gregory (1777-1804), die een geoloog en mineraloog, werd en Janet (1779-1794). Ann stierf in 1832. Tussen 1777 en 1790 woonde James in Regent Place, Birmingham.
Verbeteren van de stoommachine
Er is een populair verhaal dat Watt werd geïnspireerd in de kracht van stoom door een ketel te zien koken, en de stoom die het deksel doet optillen.
Om de thermodynamica (kracht en beweging door warmte) van warmte en stoom te begrijpen, voerde James Watt veel laboratorium proeven uit en in zijn dagboeken staat dat hij bij het uitvoeren hiervan een ketel als boiler gebruikte om stoom op te wekken.
In 1759 bracht de vriend van Watt, John Robison , hem op het idee om stoom als een bron van aandrijfkracht te gebruiken.
Het ontwerp van de zogeheten Newcomen-motor, die al bijna 50 jaar in gebruik is om water uit mijnen te pompen, was sinds de eerste in gebruikname nauwelijks veranderd.
James begon proeven te doen met stoom, hoewel hij nog nooit een werkende stoommachine had gezien. Hij probeerde een model te construeren (maken); het werkte niet naar zijn tevredenheid, maar hij zette zijn experimenten voort en begon alles te lezen wat hij kon vinden over dit onderwerp. Hij kwam tot het besef van het belang van latente warmte - dit is de warmte energie die vrijkomt of wordt opgenomen tijdens een proces van constante temperatuur (b.v. bij het moment dat water wordt omgezet in stoom). Het begrip van de stoommachine stond nog in de kinderschoenen, want de wetenschap van de thermodynamica zou pas zo'n 100 jaar worden begrepen.
In 1763 werd James gevraagd om een model Newcomen-motor van de universiteit te repareren. Ook na de reparatie werkte de motor slecht. Na veel uitproberen toonde James aan dat ongeveer driekwart van de thermische energie van de stoom werd verbruikt bij het verwarmen van de motorcilinder bij elke cyclus. Deze energie ging telkens verloren omdat later in de cyclus koud water in de cilinder werd geïnjecteerd om de stoom te condenseren en de druk te verlagen. Door de cilinder herhaaldelijk te verwarmen en af te koelen, verspilde de motor het grootste deel van zijn warmte energie in plaats van deze om te zetten in mechanische (bewegende) energie .
James zag in dat het beter was om de stoom te laten condenseren in een aparte kamer, apart van de zuiger, en om de temperatuur van de cilinder op dezelfde temperatuur te houden als de ingaande stoom door het te omringen met een "stoommantel". Zo werd er bij elke cyclus (slag) heel weinig energie door de cilinder opgenomen, waardoor er meer energie beschikbaar kwam om nuttig werk uit te voeren. Watt had later datzelfde jaar een werkend model.
De grootste moeilijkheid was het machinaal bewerken van de zuiger en cilinder om deze goed in elkaar passend te krijgen. IJzerwerkers van die tijd waren meer smeden dan moderne machinisten en waren niet in staat om de onderdelen met voldoende precisie te maken. De moeilijkheid bij het maken van een grote cilinder met een strak passende zuiger werd opgelost door John Wilkinson, die precisieboortechnieken had ontwikkeld voor het maken van kanonnen in Bersham.
De eerste machine
.jpg)
In 1776 werden de eerste machines geplaatst en werkten James en Boulton in handels-ondernemingen. Deze eerste motoren werden gebruikt om pompen aan te drijven en maakten alleen heen en weer gaande bewegingen om de pompstangen aan de onderkant van de as te bewegen. Het ontwerp was succesvol en de volgende 5 jaar was Watt erg druk met het installeren van meer machines, voornamelijk in Cornwall, om water uit mijnen te pompen.
Deze vroege machines werden niet gemaakt door Boulton en Watt zelf, maar werden door anderen gemaakt volgens tekeningen van Watt.
Het toepassingsgebied van de uitvinding werd enorm uitgebreid toen Boulton Watt aanspoorde om de heen en weer gaande beweging van de zuiger om te zetten in een rondgaande beweging voor slijpen, weven en frezen. De krukas in de vorm van een slinger (Z-vorm) lag voor de hand, maar daar zat patent op. James loste dit op door hun zonne- en planeetwiel ontwikkeld in 1781. James bedacht ook nog een regelaar om de snelheid te kunnen regelen (op de tekening de twee bollen boven het grote vliegwiel). om de machine nog slimmer en energiezuiniger te laten lopen bedacht hij de dubbel-werkende zuiger uit, waarbij niet alleen de opgaande beweging door stoom werd gedaan, maar ook de neergaande. Hiervoor bedacht hij ook een kleppensysteem. De zogeheten condensatiekamer (een tweede cilinder) had hij al eerder bedacht en uitgewerkt.
James wist zijn patenten goed te bewaken en werd zo een rijk man. Hierdoor viel hij ook op bij de hogere klasse. Watt was in zijn eigen tijd zeer vereerd. In 1784 werd hij fellow van de Royal Society of Edinburgh, en werd verkozen als lid van het Bataviaasch Genootschap voor Experimentele Filosofie, van Rotterdam, Nederland, in 1787. In 1789 werd hij verkozen tot de elite groep, de Smeatonian Society of Civil Engineers. In 1806 werd hem de eredoctoraat in de rechten verleend door de Universiteit van Glasgow. De Franse Academie verkoos hem tot corresponderend lid en in 1814 werd hij benoemd tot buitenlandse medewerker. Niet verkeerd voor iemand die niet uitgebreid gestudeerd heeft.
Brieven kopiëren
James bedacht ook een manier om brieven makkelijk te kunnen kopiëren, zonder ze over te hoeven schrijven. Dit deed hij door middel van een oplos vloeistof waarbij de inkt van de originele brief afgaf op de kopie van heel dun (doorzichtig) papier. Dit was doorzichtig omdat de afdruk in spiegelschrift was en door het dunne papier om te draaien kon je het weer lezen. De methode is zeg maar de voorloper van de vloeistofduplicator.
Vernoeming
In zijn tijd was de paardenkracht (PK) een manier om aan te geven hoeveel kracht ofwel het vermogen een machine leverde. James beschreef dit precies. Een PK was de kracht die nodig was om een gewicht van 75 kilo 1 meter op te tillen in 1 seconde. Later is de eenheid voor vermogen of stralingsstroom naar hem vernoemd: de Watt (W). Bijvoorbeeld: een persoon met een massa (gewicht) van 100 kg die in 5 seconden een ladder van 3 meter hoog beklimt, verricht arbeid met een snelheid van ongeveer 600 watt. Het aangeven van het verbruik van elektriciteit door lampen en apparaten wordt ook aangegeven in Watt.
Links
- Film over Watt's stoommachine (Engels, Nederlands ondertiteld)