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284年前的今天,1736年1月19日,著名科学家瓦特出生 。
许多人知道瓦特都是由于其发明蒸汽机的故事登上了广大中学课本 。詹姆斯·瓦特(1736年1月19日-1819年8月25日),苏格兰乐器制造商和发明家,他的蒸汽机对工业革命做出了重大贡献 。
早年经历
瓦特出生于苏格兰伦弗鲁郡的格林诺克,他的父亲是格林洛克的财务主管和地方官员,他经营着一家成功的轮船和房屋建筑公司 。
瓦特是个身体纤弱的孩子,母亲曾在家里教过他一段时间 。后来,在文法学校,他学习了拉丁语、希腊语和数学 。
他的教育的一个重要部分的来源是他父亲的车间,在那里,他用他自己的工具(长凳和锻炉)做了不少模型(例如,起重机和桶风琴),并逐渐熟悉了船舶的仪器 。
17岁时,瓦特决定成为一名数学仪器制造者,他首先去了格拉斯哥,他母亲的一个亲戚在那里的一所大学教书,然后在1755年他去了伦敦,在那里他找到了一位大师 。
尽管他的健康状况在一年内就恶化了,但在那段时间里,他已经学会了足够的东西,“可以像大多数熟练工人一样工作” 。
回到格拉斯哥后,他于1757年在大学里开了一家商店,制造数学仪器(如象限仪、圆规、天平) 。
他遇到了许多科学家,并成为英国化学家、物理学家约瑟夫·布莱克的朋友,后者提出了物态相变中的潜热的概念 。
1764年,他与表妹玛格丽特·米勒结婚,9年后米勒去世,给他生了6个孩子 。
瓦特与蒸汽机
关于瓦特发明蒸汽机的故事,许多人都认为是瓦特在厨房里看祖母做饭时,注意到开水沸腾顶开壶盖的自然现象,因此得到了蒸汽机的灵感 。
但实际上,在瓦特之前,就已经有了一种纽科门蒸汽机 。这种蒸汽机是由英国工程师纽科门(Newcomen)所发明,纽可门1705年就已经取得了“冷凝进入活塞下部的蒸汽和把活塞与连杆联接以产生运动”的专利权,并于1712年首次制成可供实用的大气式蒸汽机 。
1764年,瓦特在格拉斯哥大学当仪器修理工的时候,有一日需要修理纽科门型号的蒸汽机 。瓦特在修理过程中发现了纽科门蒸汽机存在的一些问题:由于汽缸时冷时热,蒸汽的利用率很低,而且活塞的活动时断时续,速度比较慢,很容易漏气 。
瓦特已经意识到潜热的损失(改变一种物质状态所涉及的热量) 。纽科门发动机最严重的缺陷是冷凝,因此冷凝必须在与气缸不同但又相连的舱内进行 。
1765年5月,在努力解决如何改进冷凝器的问题之后,他突然想到了一个解决方案——独立冷凝器,这是他的第一个也是最伟大的发明 。
不久之后,瓦特遇到了英国内科医生、化学家、发明家约翰·罗巴克(Carron Works的创始人),罗巴克敦促他制造一台发动机 。
1768年,在约瑟夫·布莱克的贷款帮助下,他制造了一个小型测试发动机,并与罗巴克建立了合作关系 。
第二年,瓦特取得了一项著名的专利,发明了一种减少消防车蒸汽和燃料消耗的新方法 。
与此同时,瓦特在1766年成为一名土地测量员;在接下来的八年里,他一直忙于为苏格兰的运河规划路线,这些工作妨碍了他在蒸汽机方面的进一步发展 。
1772年罗巴克破产后,英国制造商兼工程师、伯明翰Soho Works的制造商马修·博尔顿(Matthew Boulton)收购了瓦特的部分专利 。
厌倦了测量工作,瓦特于1774年移民到伯明翰 。
在瓦特的专利被国会法案延长后,他和博尔顿在1775年开始了长达25年的合作 。博尔顿的财政支持使发动机的快速发展成为可能 。
1776年,人们安装了两台发动机——一台用于在斯塔福德郡的煤矿里抽水,另一台用于向英国著名的钢铁大王、实业家约翰·威尔金森的熔炉里吹气 。
那一年瓦特再婚了,他的第二任妻子安·麦格雷戈又为他生了两个孩子 。
在接下来的五年里,直到1781年,瓦特在康沃尔度过了很长一段时间,在那里他为铜矿和锡矿安装并监督了大量的泵引擎,这些泵引擎的管理者想要降低燃料成本 。
瓦特不是商人,为了获得足够的新发动机使用费,他不得不忍受激烈的讨价还价 。到1780年,他的财务状况良好,尽管博尔顿在筹集资金方面仍有困难 。
第二年,博尔顿预见到玉米、麦芽和棉纺厂会有一个新的市场,他敦促瓦特发明一种蒸汽机的旋转运动,以代替原来蒸汽机的往复运动 。
1781年,他用所谓的“行星齿轮传统系统”做到了这一点 。通过这种齿轮,机器每转一圈,轴就会转两圈 。
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