詹姆斯·瓦特
英国发明家、机械工程师
詹姆斯·瓦特(James Watt,1736年1月19日-1819年8月25日),英国发明家和机械工程师,爱丁堡皇家学会院士,英国皇家学会院士,格拉斯哥大学法学博士,法国科学院8名外籍会员之一,第一次工业技术革命重要人物。
1757年,詹姆斯·瓦特来到格拉斯哥大学,结识导师与朋友约瑟夫·布莱克(Joseph Black)。1768年,在约瑟夫·布莱克指导下,詹姆斯·瓦特研制出带有分离式冷凝器的蒸汽机。次年,詹姆斯·瓦特设计出蒸汽机原型。1775年瓦特与马修·博尔登(Matthew Boulton)合作的新公司取得巨大成功。次年,瓦特制造出第一台新型蒸汽机。此后瓦特逐步改进蒸汽机,并于1781年研制出真正意义上的实用型蒸汽机,随后便大批量生产。1790年,瓦特发明压力计,完成瓦特式蒸汽机历史性飞跃。1800年,瓦特蒸汽机专利期满,瓦特与博尔登合作正式结束。1819年8月25日,瓦特于英国斯塔福德郡汉兹沃斯(Handsworth,Staffordshire)家中逝世。
詹姆斯·瓦特为蒸汽机改进和发明对近代科学和生产有着巨大贡献,具有划时代意义,它导致第一次工业技术革命兴起,极大地推进社会生产力发展。詹姆斯·瓦特开辟人类利用能源新时代,使人类进入“蒸汽时代”。詹姆斯·瓦特还于1782年提出“马力”概念,亦有着诸多发明,如液体比重计、信件复印机和信件复印机等。后人为纪念其贡献,将功率单位定为“瓦特”(简称“瓦”,符号W)。
人物生平
早年经历
1736年1月19日,詹姆斯·瓦特出生于苏格兰格拉斯哥附近,克莱德河湾(Firth of Clyde)上的港口小镇格林诺克。瓦特的父亲詹姆斯·瓦特(James Watt)为熟练的造船工人并拥有自己的船只与造船作坊,也为小镇官员。瓦特母亲艾格尼丝(Agnes Muirhead)出身于一个贵族家庭并受过良好教育。他们都属于基督教长老会并且是坚定誓约派。尽管瓦特出自于宗教家庭,但他后来还是成为自然神论者。瓦特早年因为身体较弱不常去学校,主要的教育都由母亲在家进行。瓦特从小就表现出动手能力以及数学天分。
瓦特17岁时,母亲去世,父亲生意开始走下坡路。瓦特到伦敦一家仪表修理厂工作一年,然后回到苏格兰格拉斯哥打算开一家自己的修理店。尽管当时苏格兰还没有类似的修理店,但由于他没有做够要求的7年徒工,所以他的开店申请被格拉斯哥的锤业者行会(管理所有使用锤子的工匠)拒绝。
1757年,格拉斯哥大学教授提供给瓦特一个机会,让他在大学里开设一间小修理店。其中一位教授,物理学家与化学家约瑟夫·布莱克(Joseph Black)成为瓦特的朋友与导师。同年,瓦特被格拉斯哥大学正式任命为“数学仪器制造师”并在校园里为其安排车间。
开设公司
在1759年,瓦特与建筑师约翰·克雷格(John Craig)合伙在格拉斯哥盐市大街开设了一家店铺,主要业务为仪器制造和修理。瓦特负责日常业务,而资本主要来自克雷格。这种合作使得双方都能从中获益。到了1763年,瓦特扩大业务范围,在广告中宣传自己销售数据仪器、乐器以及玩具和其他商品。尽管他仪器制造业务尚未完全展开,但他通过制造金属纽扣、装饰品等小商品来进行多元化经营,以增加收入。此时,瓦特的生意已有发展,他的商店雇佣了若干工人,并开始带徒。
家庭生活
1764年7月16日,瓦特与相爱多年的表妹马格雷特·米勒(Margaret Miller)结婚。结婚以后,马格雷特在生活上无微不至地关怀瓦特。他们结婚不久,妻子就怀上了孩子。此后拼命挣钱,以便让妻子和未来的孩子过上好生活,作为他的中心任务。为此他的店铺开展多种经营业务,招揽了很多与仪器制造无关的事情。为了赚钱,甚至可以利用空闲时间和下脚料去制造某些小服饰,或者去绘制地图、海图销售。
改进蒸汽机
1764年,瓦特在维修学校里一台纽可门蒸汽机模时,意识到此类型蒸汽机弊病:活塞动作不连续且非常慢;其次,该汽缸在不断地加热与冷凝过程中,能量大量流失,热效率十分低下。在1765年,瓦特设计出带有分离冷凝器的蒸汽机,克服纽可门蒸汽机缺陷。该设计将做功后蒸汽排入汽缸外冷凝器,令汽缸产生真空,同时又始终保持汽缸处于高温状态,避免一冷一热过程中造成的能量消耗。据瓦特理论计算,此新型蒸汽机热效率为纽可门蒸汽机3倍以上。因此,学校教授、苏格兰物理学家化学家约瑟夫·布莱克决定资助瓦特继续研制蒸汽机。并于1768年,在约瑟夫·布莱克指导下,研制出带有分离式冷凝器蒸汽机。
蒸汽机批量生产
1775年,瓦特与博尔顿漫游者足球俱乐部进行合作。之后瓦特开始按照1769年设计的原型制造蒸汽机,不过与之前的蒸汽机相比,瓦特于1776年建造的第一台新型蒸汽机仍无显著提高。经过5年的不断摸索与改进,瓦特终于制造出真正意义上的实用型蒸汽机,随后便大批量生产。在此期间瓦特还不断地与仿冒侵权行为做斗争,保护自己专利。在英国西南部城市康沃尔的铜矿锡矿中绝大多数运行了50年之久的纽可门蒸汽机都被瓦特蒸汽机所取代。
进一步改进蒸汽机
1781年,瓦特发明“太阳与行星齿轮系统”,之所以要发明此套系统,是因为更简单的方案——曲柄何飞轮组合已经被人抢先注册专利。瓦特想共用此专利但没谈拢,最后依靠其公司员工威廉·默多克想出了替代方案,绕开了曲柄的专利。这些改进使蒸汽机得以应用到机床织布机起重机上,结束这些机械靠水能驱动的历史。
瓦特于1782年设计出双向作用蒸汽机,即蒸汽能够从活塞的每一侧交替进入。这种机器在活塞每一次运动时都利用了蒸汽力。同年他发明一种标准单位:马力。瓦特于1784年对蒸汽机进行进一步改进,他对联协式蒸汽机增加一种自动调节蒸汽机速率装置,使之适用于各种机械运动。1788年,瓦特设计飞球离心调速器,用以控制引擎速度,这是历史上首台负反馈式装置被应用于蒸汽机之上。并于两年后,瓦特发明的压力计完成瓦特式蒸汽机历史性飞跃。至18世纪末,世界地共有约500台瓦特式蒸汽机在不停地运作。据统计,在博尔顿成功经营下,1824年已生产1165台蒸汽机。
晚年经历
1800年,瓦特蒸汽机专利期满,瓦特与博尔登合作也正式结束,64 岁瓦特选择退休。但他们下一代——马修·博尔顿与小詹姆斯·瓦特继续合作,同时吸收威廉·默多克为合伙人,保证公司持续运作。退休之后,瓦特与他第二任妻子到法国与德国旅行,并且在威尔士购买一所住宅。直至1819年8月25日,瓦特于英国斯塔福德郡汉兹沃斯(Handsworth,Staffordshire)家中逝世。瓦特死后被安葬于家乡汉兹沃斯的圣玛丽教堂后的公墓,教堂后来得到了扩建,使得瓦特墓地就处于新教堂内部。
主要成果
六项专利
专利1:一种减少蒸汽机蒸汽消耗的方法——独立冷凝器。
专利2:一种复印信件的新方法。
专利3:产生连续旋转运动的新方法。
专利4:蒸汽机的新改进——膨胀式和双作用式。
专利5:蒸汽机的新改进——三杆运动和蒸汽车。
专利6:新改进的熔炉制造方法。
改进蒸汽机
公元1世纪,亚历山大·希罗曾设计过类似蒸汽机的机器。1698年,汤姆斯·萨威利获得用蒸汽机抽水专利权。1712年,汤姆斯·纽可门获得稍加改进的蒸汽机专利权,但纽可门蒸汽机只能用于煤矿排水。
瓦特蒸汽机效率远比前人蒸汽机效率要高得多。相比纽可门蒸汽机,瓦特蒸汽机耗煤量只有其四分之一,但效率却提高5倍。瓦特蒸汽机的创造,使得工厂选址不必再依赖于煤矿而可以建立在更经济更有效的地方,也不必依赖于水能从而能常年地运转。进一步促进规模化经济发展,大大提高生产率同时也使得商业投资更有效率。蒸汽机为一系列精密加工革新提供可能,更高工艺保证各种机器包括蒸汽机本身性能的提高。经过不断努力,引入更高气压蒸汽,蒸汽火车和蒸汽轮船便很快相继问世。
其他发明
瓦特还发明液体比重计、信件复印机等,他最先提议用螺旋桨代替明轮推动船舶,最先采用“马力”作为计算功率的单位。瓦特还亲自发现一种用氯作为漂白的方法,此为日后使用的“漂白粉”前身。
瓦特于1795年设计出第一台信件复印机,从而节省眷写设计方案和图纸的精力。此精巧机器作为现代复印机前身,工作方式为通过纸张添加特制墨水然后向它按压湿润薄纸。湿润薄纸非常结实,它沾染与字迹相反的墨痕,但人们可以通过纸张的背面阅读文字。
促进第一次工业技术革命
19世纪30年代,蒸汽机广泛应用到纺织冶金采煤交通等部门,很快引起一场技术革命。美国人富尔顿发明用瓦特蒸汽机作动力的轮船,英国人乔治·史蒂芬逊发明用瓦特蒸汽机作动力的火车。瓦特蒸汽机的创造,加快第一次工业技术革命完成,极大地推进社会生产力发展,具有划时代意义。
人物争议
专利争议
关于詹姆斯·瓦特申请的专利是否一定程度上阻碍自身或他人产品研发,存在争议。博尔顿和瓦特公司极力保护瓦特蒸汽机设计专利。其他试图采用类似设计的生产厂商都被约翰·博尔顿和瓦特以高额的诉讼费起诉到法庭。在瓦特蒸汽机连续不断地在庭辩中获胜时,法庭审判也阻碍其他工程师研发性能可能更佳的改良产品。反之,当瓦特试图发布一款带有旋转臂引擎时,他就不可避免地与发明家詹姆斯·皮卡德受专利保护的设计雷同。
卒年争议
关于詹姆斯·瓦特卒年时间,尚有争议。部分文献记载詹姆斯·瓦特逝世时间为1819年8月19日,部分文献则记载其逝世时间为1819年8月25日。
相关影响
瓦特在原有蒸汽机基础上发明的新式蒸汽机结构,在此之后的50年之内几乎没有什么改变。瓦特蒸汽机发明的重要性是难以估量的,它被广泛地应用在工厂成为几乎所有机器动力,改变人们工作生产方式,极大地推动技术进步并拉开工业革命序幕。它使得工厂选址不必再依赖于煤矿而可以建立在更经济更有效的地方,也不必依赖于水能常年地运转,进一步促进规模化经济发展,大大提高生产率同时也使得商业投资更有效率。蒸汽机为一系列精密加工革新提供可能,更高工艺保证各种机器包括蒸汽机本身性能的提高。经过不断努力,引入更高气压蒸汽,蒸汽火车蒸汽轮船便很快相继问世。
人物轶事
《瓦特与茶壶的故事》中描述瓦特故事,据说瓦特小时候有一次看到火炉上水烧开,蒸汽把水壶盖顶开,瓦特便将壶盖放回去但很快又被顶开。瓦特就这样不断地把壶盖放来放去想找出为什么,后来瓦特意识到是蒸汽的力量,由此引发他对蒸汽的兴趣并导致蒸汽机的发明。
人物性格
瓦特心思细腻,做事动作迟缓并且非常容易焦虑。他常常会灰心丧气。他会将工作放到一边,感觉好像要彻底放弃,但他想象力丰富,总是能想到新的改进方法,以至于很多时候都来不及一一完成。瓦特动手能力很强,可以完成系统的科学测定,以量化自己的革新效果,帮助自己理解。
瓦特为其他工业革命时期知名人士所尊重。他成为伯明翰工业家与科学家组织的“月亮社”重要成员,他总是对新领域表现出极大兴趣,被认为是很好的社交伙伴。但他对商业经营一窍不通,特别讨厌与那些有兴趣使用蒸汽机的人讨价还价或谈判合同。直到他退休时,他都一直对自己财物状况感到不安。
荣誉奖项
人物评价
德国社会主义理论家及作家、哲学家,马克思主义创始人之一恩格斯在《自然辩证法》中写道:“甚至蒸汽机这一直到现在仍是人改造自然界的最强有力的工具。”
人物关系
后世纪念
教堂纪念像
瓦特死后安葬于家乡汉兹沃斯圣玛丽教堂后的公墓。多年后教堂扩建,使得瓦特墓地实际上处于新教堂的内部。教堂里建有瓦特、博尔顿与鲁伯特·默多克三人纪念像。同时瓦特参加的“月亮学社”纪念碑上也有瓦特与蒸汽机雕绘。
图书馆前雕像
瓦特众多手稿保存在伯明翰中心图书馆里,图书馆前竖有瓦特雕像。
展馆
詹姆斯·瓦特工作室及室内物品被英国科学博物馆单独设为展馆。
学校命名
伯明翰一所学校以瓦特的名字命名。
功率单位
后人为纪念瓦特贡献,将功率单位定为“瓦特”(简称“瓦”,符号W)。
参考资料
James Watt.Biography.2024-12-28
瓦特.中国大百科全书.2024-04-08
File:James Watt Patent 1769 No 913.pdf.WIKIMEDIA COMMONS.2024-05-15
目录
概述
人物生平
早年经历
开设公司
家庭生活
改进蒸汽机
蒸汽机批量生产
进一步改进蒸汽机
晚年经历
主要成果
六项专利
改进蒸汽机
其他发明
促进第一次工业技术革命
人物争议
专利争议
卒年争议
相关影响
人物轶事
人物性格
荣誉奖项
人物评价
人物关系
后世纪念
教堂纪念像
图书馆前雕像
展馆
学校命名
功率单位
参考资料