Biographie de James Watt, inventeur de la machine à vapeur moderne

James Watt (19 janvier 1736-25 août 1819) était un inventeur, ingénieur et chimiste écossais. Il a développé une machine à vapeur qui utilisait un condenseur séparé; cette innovation a fait de la machine à vapeur un outil utile pour une vaste gamme d'utilisations. À bien des égards, l'invention de Watt - ou plutôt son amélioration par rapport à une invention antérieure, la machine à vapeur Newcomen - a été l'impulsion technologique derrière la révolution industrielle..

Faits en bref: James Watt

• Connu pour: Invention de la machine à vapeur
• Née: 19 janvier 1736 à Greenock, Renfrewshire, Ecosse, Royaume-Uni
• Parents: Thomas Watt, Agnes Muirhead
• Décédés: 25 août 1819 à Handsworth, Birmingham, Angleterre, Royaume-Uni
• Éducation: Éduqués à domicile
• Oeuvres publiées: Un système de philosophie mécanique
• Récompenses et honneurs: De nombreuses rues et écoles portent son nom; statues de sa ressemblance dans les jardins de Picadilly et la cathédrale Saint-Paul
• Conjoint (s): Margaret (Peggy) Miller, Ann MacGregor
• Les enfants: James Jr., Margaret, Gregory, Janet, Ann
• Citation notable: "J'étais allé me ​​promener par un bel après-midi de sabbat. J'étais entré dans le Green par la grille au pied de la rue Charlotte et j'avais dépassé l'ancien lavoir. Je pensais au moteur à l'époque, et j'étais parti jusqu'à la maison du troupeau, quand l'idée m'est venue à l'esprit… Je n'avais pas marché plus loin que la maison du Golf quand tout était arrangé dans ma tête. "

Jeunesse

James Watt est né le 19 janvier 1736 à Greenock, en Écosse, comme le seul enfant survivant de quatre de James Watt (1699-1737) et Agnes Muirhead (1901-1754). Greenock était un village de pêcheurs qui, au cours de sa vie, est devenue une ville animée avec une flotte de bateaux à vapeur. Le grand-père de James Jr., Thomas Watt (1642-1734) était un mathématicien bien connu et un maître d'école local. James Sr. était un éminent citoyen de Greenock et un menuisier et un chandelier de navire prospère qui travaillait à l'équipement des navires et à travailler sur leurs instruments, compas et quadrants. À plusieurs reprises, James Sr. était également le magistrat en chef et le trésorier de la ville.

Éducation

James Watt était intelligent, mais à cause de sa mauvaise santé, il n'a pas pu aller régulièrement à l'école. Au lieu de cela, il a acquis les compétences dont il aurait besoin plus tard en ingénierie et en outillage en travaillant avec son père sur des projets de menuiserie. À l'âge de 6 ans, James Watt résolvait des problèmes géométriques et menait sa première enquête sur la nature de la vapeur, ce qui impliquait d'expérimenter la bouilloire à thé de sa mère. Dans son enfance, Watt était un lecteur avide et a trouvé quelque chose pour l'intéresser dans chaque livre qui lui venait.

Lorsque Watt a finalement été envoyé à l'école du village, sa mauvaise santé l'a empêché de progresser rapidement; ce n'est qu'à l'âge de 13 ou 14 ans qu'il a commencé à montrer ses capacités, notamment en mathématiques. Il passait son temps libre à dessiner avec son crayon, à sculpter et à travailler sur le banc à outils avec du bois et du métal. Il a fait de nombreux travaux mécaniques ingénieux et quelques beaux modèles, et a apprécié la réparation d'instruments nautiques.

Apprentissage

Après la mort de sa mère en 1754, Watt, 18 ans, a été envoyé à Glasgow pour s'entraîner comme marchand avec son oncle John Muirhead. L'un des parents de sa mère était le président du département des langues et sciences humaines orientales du Glasgow College, et Watt y est devenu membre de la société littéraire. Il a également rencontré d'autres chercheurs à Glasgow qui se révéleront influents et favorables à sa carrière: Robert Dick, professeur de philosophie naturelle, Robert Simpson en mathématiques et William Cullen en médecine et chimie.

C'est Dick qui a suggéré que Watt aille à Londres pour suivre une formation de luthier. Avec une lettre de présentation, Watt part pour Londres en 1755 et commence à travailler avec le luthier John Morgan. Watt n'était pas officiellement apprenti, mais il travaillait sur l'instrumentation mécanique: Morgan pensait qu'il était talentueux mais prenait trop de temps pour terminer son travail. Le travail avec Morgan a pris fin en juin 1756 et Dick lui a obtenu un poste à court terme pour travailler sur une horloge astronomique, des télescopes réfléchissants et des instruments de transit. Watt est retourné à Greenock à la fin de l'année, mais il est rapidement retourné à Glasgow où il a commencé une petite entreprise de fabrication de quadrants. Il a été nommé fabricant d'instruments mathématiques au Glasgow College, soutenu par le remplaçant de Dick, John Anderson, et par le remplaçant et chimiste de Cullen, Joseph Black (1728-1799). Black est surtout connu pour son travail sur les chaleurs latentes et spécifiques et pour sa découverte du dioxyde de carbone, et il devait devenir un fervent partisan de Watt.

Expérimentation précoce

En 1759, John Robison, étudiant à Glasgow, montra à Watt un modèle de la machine à vapeur Newcomen et suggéra qu'elle pourrait être utilisée pour propulser des voitures. Le Newcomen a été inventé et breveté en 1703 par Thomas Newcomen (1664-1729), et Watt a commencé à construire des modèles miniatures en utilisant des cylindres à vapeur d'étain et des pistons attachés aux roues motrices par un système d'engrenages. Dans ses propres expériences, il a utilisé, dans un premier temps, des essais d'apothicaires et des cannes creuses pour des réservoirs de vapeur et des tuyaux, puis un digesteur de Papin et une seringue commune. Cette dernière combinaison a fait un moteur sans condensation, dans lequel il a utilisé de la vapeur à une pression de 15 livres par pouce carré. La valve a été travaillée à la main, et James Watt a vu qu'un engrenage de valve automatique était nécessaire pour faire une machine qui fonctionnait. Cette expérience, cependant, n'a abouti à aucun résultat pratique et pour les prochaines années, il a abandonné cette recherche.

Watt est resté avec le collège jusqu'aux années 1760, quand il a conclu un partenariat avec un marchand nommé John Craig, financé en partie avec Black. L'une de leurs aventures était de produire des alcalis à partir de sel - au XVIIIe siècle, les alcalis ne pouvaient être produits qu'à partir de plantes. Craig et Watt étaient l'une des nombreuses personnes à la recherche d'un moyen de le créer chimiquement, un effort qui n'a pas été atteint avant 1820. Watt et Craig ont également travaillé sur des fours à poterie et des glacis pour fabriquer du delftware à l'étain.

Mariage et famille

En 1764, Watt épousa Margaret Millar, connue sous le nom de Peggy, une cousine qu'il connaissait depuis leur enfance. Ils devaient avoir cinq enfants, dont seulement deux vivaient jusqu'à l'âge adulte: Margaret, née en 1767, et James III, né en 1769, qui deviendrait à l'âge adulte le principal soutien et partenaire commercial de son père..

Le moteur à vapeur Newcomen

Au cours de l'hiver 1763-1764, John Anderson à Glasgow a demandé à Watt de réparer un modèle du moteur Newcomen. Il a pu le faire fonctionner, mais il était curieux de savoir pourquoi la machine consommait autant de vapeur et d'eau de condensation. Watts a commencé à étudier l'histoire de la machine à vapeur et a mené des recherches expérimentales sur les propriétés de la vapeur.

Le modèle de moteur à vapeur Newcomen avait une chaudière qui était faite à l'échelle et était incapable de fournir suffisamment de vapeur pour alimenter un moteur. Il avait environ neuf pouces de diamètre; le cylindre à vapeur avait deux pouces de diamètre et avait une course de piston de six pouces. Watt a fait une nouvelle chaudière qui pouvait mesurer la quantité d'eau évaporée et la vapeur condensée à chaque coup du moteur.

Watt découvrit rapidement que le moteur avait besoin d'une très petite quantité de vapeur pour chauffer une très grande quantité d'eau. Il a immédiatement commencé à déterminer avec précision les poids relatifs de vapeur et d'eau dans le cylindre à vapeur lorsque la condensation s'est produite lors de la course descendante du moteur. James Watt a prouvé de manière indépendante l'existence d'une «chaleur latente», découverte par son mentor et partisan Joseph Black. Watt est allé à Black avec ses recherches, qui a partagé ses connaissances avec Watt. Watt a constaté qu'au point d'ébullition, sa vapeur de condensation était capable de chauffer six fois son poids d'eau utilisée pour produire de la condensation.

Condenseur séparé de Watt

Réalisant que le poids de la vapeur pour le poids était un absorbant et un réservoir de chaleur beaucoup plus grands que l'eau, Watt a vu l'importance de prendre plus de soin pour l'économiser que ce qui avait été tenté auparavant. Dans un premier temps, il a économisé dans la chaudière et fabriqué des chaudières avec des "coques" en bois afin d'éviter les pertes par conduction et rayonnement. Il a également utilisé un plus grand nombre de conduits que Newcomen pour assurer une absorption plus complète de la chaleur des gaz du four. Il a également recouvert ses tuyaux de vapeur de matériaux non conducteurs et a pris toutes les précautions nécessaires pour garantir l'utilisation complète de la chaleur de combustion.

Il a rapidement découvert que les sources de perte de chaleur dans le moteur Newcomen étaient:

• La dissipation de la chaleur par le cylindre lui-même, qui était en laiton et qui était à la fois un bon conducteur et un bon radiateur.
• La perte de chaleur consécutive à la nécessité de refroidir le cylindre à chaque coup pour produire le vide.
• La perte de puissance due à la pression de vapeur sous le piston, qui était une conséquence de la méthode imparfaite de condensation.

Sa première tentative de fabrication d'un cylindre de matériau non conducteur a été faite de bois imbibé d'huile puis cuit, ce qui a fait augmenter l'économie de vapeur. Il a ensuite mené une série d'expériences très précises sur la température et la pression de la vapeur en mesurant la quantité de vapeur utilisée à chaque coup du moteur. Il a pu confirmer sa conclusion précédente selon laquelle les trois quarts de la chaleur fournie au moteur étaient perdus.

Améliorations supplémentaires

Après ses recherches scientifiques, James Watt a travaillé sur l'amélioration de la machine à vapeur avec une compréhension intelligente de ses défauts existants et une connaissance de leur cause. Watt a vite vu que pour réduire les pertes de fonctionnement de la vapeur dans le cylindre à vapeur, il faudrait trouver un moyen de maintenir constamment le cylindre aussi chaud que la vapeur qui y pénétrait..

Selon James Watt: "L'idée m'est venue à l'esprit que, comme la vapeur était un corps élastique, elle se précipiterait dans le vide et, si une communication était établie entre le cylindre et un récipient épuisé, elle se précipiterait dedans, et pourrait être là condensé sans refroidir le cylindre. J'ai alors vu que je devais me débarrasser de la vapeur condensée et de l'eau d'injection si j'utilisais un jet, comme dans le moteur de Newcomen. Deux façons de procéder me sont venues à l'esprit: Premièrement, l'eau pourrait être coulé par un tuyau descendant, si un jet off pouvait être récupéré à une profondeur de 35 ou 36 pieds, et que l'air pouvait être extrait par une petite pompe. La seconde était de rendre la pompe suffisamment grande pour extraire à la fois l'eau et l'air. . "

Il a poursuivi: "Lorsqu'elle est analysée, l'invention n'apparaîtra pas aussi grande qu'elle semble l'être. Dans l'état dans lequel j'ai trouvé la machine à vapeur, ce n'était pas un gros effort d'esprit de constater que la quantité de carburant nécessaire pour la faire fonctionner empêcherait à jamais son utilité étendue. L'étape suivante de mes progrès a été tout aussi facile: se demander quelle était la cause de la grande consommation de carburant. Cela aussi, on a facilement suggéré, à savoir, le gaspillage de carburant qui était nécessaire pour apporter l'ensemble du cylindre, du piston et des parties adjacentes, de la froideur de l'eau à la chaleur de la vapeur, pas moins de 15 à 20 fois en une minute. "

James Watt avait inventé son condensateur séparé très important. Il a procédé à un essai expérimental de sa nouvelle invention. Son petit modèle fonctionnait très bien, et la perfection de l'aspirateur était telle que la machine soulevait un poids de 18 livres suspendu à la tige de piston. Il a ensuite construit un modèle plus grand, et le résultat de son test a confirmé les résultats de ses premières expériences.

Watt construit sa propre machine à vapeur

Il a fallu des années à Watt pour comprendre les détails de la nouvelle machine à vapeur. Pour commencer, Watt a dû trouver un moyen d'empêcher le condenseur de se remplir d'eau. Il a essayé plusieurs approches, dont une pompe à air, qui a déchargé le condenseur de l'eau et de l'air qui se sont accumulés dans le condenseur et a diminué le vide. Il a ensuite substitué l'huile et le suif à l'eau utilisée pour lubrifier le piston, en maintenant la vapeur étanche et en empêchant le refroidissement du cylindre. Une autre cause de réfrigération du cylindre et du gaspillage d'énergie qui en a résulté dans son fonctionnement a été l'entrée d'air, qui a suivi le piston vers le bas du cylindre à chaque coup, refroidissant son intérieur par son contact. L'inventeur a empêché cela de se produire en couvrant le haut du cylindre et en entourant le cylindre entier d'un boîtier externe, ou "chemise à vapeur", qui a permis à la vapeur de la chaudière de passer autour du cylindre à vapeur et d'appuyer sur la surface supérieure du cylindre. piston.

Après avoir construit son plus gros moteur expérimental, Watt a loué une chambre dans un vieux chalet désert. Là, il a travaillé avec le mécanicien Folm Gardiner. Watt venait de rencontrer John Roebuck, un riche médecin qui, avec d'autres capitalistes écossais, avait récemment fondé la célèbre Carron Iron Works. Roebuck a commencé à soutenir financièrement les efforts de Watt et Watt a souvent écrit à Roebuck pour décrire ses progrès..

En août 1765, il essaya le petit moteur et écrivit à Roebuck qu'il avait "un bon succès", bien que la machine soit très imparfaite, et informa Roebuck qu'il commençait à fabriquer le modèle plus grand. En octobre 1765, il termine la grosse machine à vapeur. Le moteur, bien que prêt pour l'essai, était encore loin d'être parfait. Il a néanmoins fait du bon travail pour une telle machine brute.

Retards financiers et personnels

Malheureusement, en 1765, James Watt a été réduit à la pauvreté et, après avoir emprunté des sommes considérables à des amis, il a finalement dû chercher un emploi pour subvenir aux besoins de sa famille. Pendant une période d'environ deux ans, il s'est soutenu en tant qu'ingénieur civil, surveillant et gérant la construction de plusieurs canaux en Écosse et explorant des gisements de charbon dans le quartier de Glasgow pour les magistrats de la ville. Il n'a cependant pas entièrement abandonné son invention.

En 1767, Roebuck a assumé la responsabilité de Watt à hauteur de 1 000 livres sterling et a accepté de fournir plus de capital en échange des deux tiers du brevet de Watt. Un autre moteur a été construit avec un cylindre à vapeur de sept ou huit pouces de diamètre, qui a été terminé en 1768. Cela a fonctionné suffisamment bien pour inciter les partenaires à demander un brevet, et les spécifications et les dessins ont été achevés et présentés en 1769.

Watt a également construit et mis en place plusieurs moteurs Newcomen, en partie, peut-être, pour se familiariser davantage avec les détails pratiques de la construction de moteurs. En attendant, il a préparé des plans et construit un moteur modérément gros de son propre nouveau type. Son cylindre à vapeur avait 18 pouces de diamètre et la course du piston était de 5 pieds. Ce moteur a été construit à Kinneil et a été achevé en septembre 1769. Il n'était pas tout à fait satisfaisant ni dans sa construction ni dans son fonctionnement. Le condenseur était un condenseur de surface composé de tuyaux un peu comme ceux utilisés dans son premier petit modèle et ne s'est pas avéré être suffisamment étanche. Le piston à vapeur fuit sérieusement et les essais répétés ne font que rendre ses imperfections plus évidentes. Il a été aidé par Joseph Black et John Roebuck avec un soutien financier et moral, mais il était fermement convaincu des risques qu'il courait d'impliquer ses amis dans de graves pertes et est devenu très découragé..

Écrivant à Black, Watt a déclaré: "De toutes choses dans la vie, il n'y a rien de plus stupide que d'inventer; et probablement la majorité des inventeurs ont été amenés à la même opinion par leurs propres expériences."

Partenariat avec Matthew Boulton

En 1768, James Watt se rendit à Londres pour faire déposer son brevet et, en chemin, il rencontra Matthew Boulton. Boulton était le propriétaire d'une entreprise manufacturière de Birmingham connue sous le nom de Soho Manufactory, qui fabriquait de petites marchandises métalliques. Il avait hérité des affaires de son père et les avait considérablement développées. Lui et son entreprise étaient très connus dans le mouvement des Lumières anglais du milieu du XVIIIe siècle.

Boulton était un bon érudit, avec une connaissance considérable des langues et des sciences, en particulier des mathématiques, bien qu'il ait quitté l'école quand il était petit pour aller travailler dans la boutique de son père. Dans la boutique, il a rapidement introduit un certain nombre d'améliorations précieuses et il était toujours à la recherche d'autres idées qui pourraient être introduites dans son entreprise..

Il était également membre de la célèbre Lunar Society of Birmingham, un groupe d'hommes qui se sont rencontrés pour discuter ensemble de philosophie naturelle, d'ingénierie et de développement industriel: les autres membres comprenaient le découvreur d'oxygène Joseph Priestley, Erasmus Darwin (grand-père de Charles Darwin), et le potier expérimental Josiah Wedgewood. Watt a rejoint le groupe après être devenu le partenaire de Boulton.

Savant flamboyant et énergique, Boulton fait la connaissance de Benjamin Franklin en 1758, qui visite ensuite Soho. En 1766, ces hommes distingués correspondaient, discutant entre autres de l'applicabilité de la puissance de la vapeur à diverses fins utiles. Ils ont conçu une nouvelle machine à vapeur et Boulton a construit un modèle, qui a été envoyé à Franklin et exposé par lui à Londres. Ils n'avaient pas encore pris conscience de l'existence de James Watt.

Lorsque Boulton a rencontré Watt en 1768, il aimait son moteur et a décidé d'acheter un intérêt dans le brevet. Avec le consentement de Roebuck, Watt a offert à Boulton un intérêt d'un tiers. Bien qu'il y ait eu plusieurs complications, Roebuck a finalement proposé de transférer à Matthew Boulton la moitié de sa propriété des inventions de Watt pour la somme de 1 000 livres. Cette proposition fut acceptée en novembre 1769.

Moteurs à vapeur en état de marche

En novembre 1774, Watt a finalement annoncé à son ancien partenaire Roebuck qu'il avait fait un essai réussi du moteur Kilmeil. Il n'a pas écrit avec son enthousiasme et son extravagance habituels; au lieu de cela, il a simplement écrit: "Le camion de pompiers que j'ai inventé fonctionne maintenant, et répond beaucoup mieux que tout autre qui a encore été fabriqué, et je m'attends à ce que l'invention me soit très bénéfique."

L'une des raisons de son manque d'enthousiasme était que sa femme était décédée lors de l'accouchement l'année précédente, en septembre 1773. Heartsick, Watt s'est enterré au travail. À partir de la mi-février 1774, il travaille sur des thermomètres et des baromètres. Il a mis fin à son activité de génie civil en Écosse (en partie à cause d'une crise financière en Écosse) et en mai, il s'est rendu au sud de Birmingham, où il a rejoint la Lunar Society. En 1775, il a conclu un partenariat à temps plein avec Matthew Boulton.

À partir de ce moment, la firme Boulton and Watt a été en mesure de produire une gamme de moteurs fonctionnels avec des applications réelles. De nouvelles innovations et brevets ont été retirés pour des machines pouvant être utilisées pour le meulage, le tissage et le fraisage. Des moteurs à vapeur ont été mis en service pour le transport sur terre et sur l'eau. Presque chaque invention réussie et importante qui a marqué l'histoire de l'énergie à vapeur pendant de nombreuses années est née dans les ateliers Boulton et Watt.

Retraite et décès

Le travail de Watt avec Boulton l'a transformé en une figure de stature internationale parmi les hommes de lettres. Son brevet de 25 ans lui a apporté la richesse; et lui et Boulton sont devenus des chefs de file des Lumières technologiques en Angleterre, avec une solide réputation d'ingénierie innovante. Watt a épousé Ann Macgregor en 1776 et ils ont eu deux enfants (Gregory et Jessy), qui mourraient tous les deux jeunes. James Watt Jr., son fils de sa première femme, a survécu à son père et a continué à jouer un rôle dans la poursuite des Lumières anglaises.

À la suite de son partenariat avec Matthew Boulton, James Watt est devenu un homme très riche, construisant un élégant manoir connu sous le nom de "Heathfield House" à Handsworth, Staffordshire. Il a pris sa retraite en 1800 et a passé le reste de sa vie dans les loisirs et les voyages pour rendre visite à des amis et à sa famille. Il est décédé le 25 août 1819 à Heathfield. Il a été enterré dans le cimetière de l'église St Mary à Handsworth.

Héritage

D'une manière très significative, les inventions de Watt ont stimulé la révolution industrielle et les innovations de l'ère moderne, allant des automobiles et des trains aux usines et aux problèmes sociaux qui ont évolué en conséquence. De plus, le nom de Watt a été attaché aux rues, aux musées et aux écoles. Son histoire a inspiré des livres, des films et des œuvres d'art, y compris des statues dans les jardins de Piccadilly et la cathédrale Saint-Paul.

Sur la statue de Saint-Paul sont gravés les mots: "James Watt… a élargi les ressources de son pays, a accru la puissance de l'homme et s'est élevé à une place éminente parmi les plus illustres adeptes de la science et les véritables bienfaiteurs du monde. "

Sources

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• Hills, Richard L. "Power from Steam: A History of the Stationary Steam Engine." Cambridge: Cambridge University Press, 1993.
• Miller, David Philip. "'Puffing Jamie': L'importance commerciale et idéologique d'être un 'philosophe' dans le cas de la réputation de James Watt (1736-1819)." Histoire des sciences 38,1 (2000): 1-24. Impression.
• "La vie et la légende de James Watt: collaboration, philosophie naturelle et amélioration de la machine à vapeur." Pittsburgh: University of Pittsburgh Press, 2019. 
• Pugh, Jennifer S. et John Hudson. "Le travail chimique de James Watt, F.R.S." Notes et documents de la Royal Society of London 40,1 (1985): 41-52. Impression.
• Russell, Ben. "James Watt: Rendre le monde nouveau." Londres: Science Museum, 2014. 
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