James Watt urodził się 19 stycznia 1736 roku według obowiązującego wówczas w Szkocji kalendarza juliańskiego. W rachubie gregoriańskiej data ta odpowiada 30 stycznia. Pochodził z Greenock, nad zatoką Firth of Clyde na zachodnim wybrzeżu Szkocji. Był synem cieśli okrętowego, który z czasem otworzył własny warsztat. Matka pochodziła z wykształconej rodziny, co umożliwiło Jamesowi naukę w domu. Miało to szczególne znaczenie, ponieważ przez wiele lat cierpiał na silne bóle głowy, najprawdopodobniej migrenowe, które uniemożliwiały mu regularne uczęszczanie do szkoły. Braki w formalnej edukacji nadrabiał doświadczeniem zdobywanym od najmłodszych lat w zakładzie ojca, gdzie powstawały jego pierwsze modele, narzędzia i przyrządy.

Droga Watta mogła potoczyć się inaczej, gdyby nie poważne straty finansowe, jakie poniósł jego ojciec. Zmusiło to Jamesa do samodzielnego szukania pracy. Jako osiemnastolatek terminował u londyńskiego wytwórcy instrumentów matematycznych i nawigacyjnych. Radził sobie na tyle dobrze, że postanowił otworzyć własną pracownię. Przedstawiciele cechu Hammermen, zrzeszającego rzemieślników pracujących w metalu, nie wyrazili jednak zgody na jego działalność, ponieważ nie ukończył wymaganej praktyki cechowej. Otrzymał za to posadę na Uniwersytecie w Glasgow jako opiekun i wytwórca aparatury naukowej, gdzie konstruował i konserwował m.in. cyrkle, sekstanty, teodolity (czyli instrumenty geodezyjne) oraz kompasy i barometry.

To tam spotkał też ludzi, którzy docenili jego talent, m.in. profesora chemii i anatomii Josepha Blacka oraz profesora filozofii naturalnej Roberta Dicka. Stali się oni jego przyjaciółmi i mentorami, a później pomogli mu rozwinąć pomysły na ulepszenie maszyny parowej.

W 1764 roku Watt otrzymał do naprawy model atmosferycznego silnika parowego Thomasa Newcomena. Maszyna ta, wynaleziona w 1712 roku, była szeroko stosowana do odwadniania kopalń. Jej działanie polegało na wypełnieniu cylindra parą wodną, która unosiła tłok, a następnie na wtłoczeniu do cylindra zimnej wody, co powodowało skroplenie pary, powstanie podciśnienia i pchnięcie tłoka w dół pod wpływem ciśnienia atmosferycznego. Ruch tłoka, przenoszony za pomocą belki, napędzał pompę usuwającą wodę z szybu.

Główna wada tej konstrukcji polegała na tym, że kondensacja pary zachodziła w tym samym cylindrze, w którym tłok wykonywał pracę mechaniczną. Cylinder był więc na przemian nagrzewany do wysokiej temperatury i gwałtownie chłodzony, co prowadziło do ogromnych strat ciepła i bardzo niskiej sprawności energetycznej, szacowanej na zaledwie 1-2 proc. energii zawartej w paliwie. Większość energii zużywano na ogrzewanie i chłodzenie metalu cylindra, dlatego maszyny Newcomena były opłacalne jedynie tam, gdzie węgiel był tani – głównie w kopalniach węgla.

W maju 1765 roku, podczas spaceru po Glasgow Green, najstarszym parku miejskim, Watt doszedł do wniosku, że kluczowym problemem maszyny Newcomena jest miejsce kondensacji pary. Zaproponował przeniesienie tego procesu do oddzielnego, stale chłodzonego zbiornika połączonego z cylindrem. Dzięki temu cylinder mógł pozostawać gorący, a para po wykonaniu pracy skraplała się poza nim, co radykalnie zmniejszało straty ciepła i zużycie paliwa.

W 1768 roku zawarł umowę z Johnem Roebuckiem, szkockim przedsiębiorcą, który sfinansował budowę prototypu zmodyfikowanego silnika parowego. 5 stycznia 1769 roku Watt uzyskał brytyjski patent nr 913 na metodę zmniejszania zużycia pary i paliwa w maszynach parowych. Rozwiązanie wymagało precyzyjnie wykonanych cylindrów i kosztownych metod obróbki, na co Watta nie było stać, ale z pomocą przyszedł mu poznany właśnie w tamtym czasie Matthew Boulton, właściciel manufaktury Soho koło Birmingham. Boulton, członek Lunar Society (nieformalnego stowarzyszenia naukowców i przemysłowców z Birmingham), szybko rozpoznał w Watcie wybitny talent. Dzięki temu klubowi miał dostęp do wiedzy i współpracy z takimi postaciami jak Joseph Priestley (1733–1804, chemik i fizyk) oraz Erasmus Darwin (1731–1802, lekarz i przyrodnik, dziadek Karola Darwina). Po bankructwie Roebucka Boulton przejął dwie trzecie patentu w ramach spłaty długu i w 1775 roku zawarł z Wattem partnerstwo, tworząc spółkę Boulton & Watt. Dzięki jego wsparciu patent przedłużono do 1800 roku i rozpoczęto produkcję pierwszych komercyjnych maszyn parowych z oddzielnym kondensatorem, które zużywały około 75 proc. mniej paliwa niż konstrukcje Newcomena.

W kolejnych latach Watt wprowadzał dalsze udoskonalenia: w 1781 roku zastosował przekładnię słoneczno-planetarną, umożliwiającą zamianę ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka na ruch obrotowy wału; w 1782 roku skonstruował silnik podwójnego działania, w którym para napędzała tłok w obu kierunkach; w 1784 roku opracował mechanizm równoległoboku zapewniający niemal prostoliniowy ruch tłoka; w 1788 roku wprowadził regulator odśrodkowy automatycznie stabilizujący prędkość obrotową maszyny. Dzięki tym rozwiązaniom maszyna parowa stała się uniwersalnym źródłem napędu dla fabryk, przędzalni i młynów. Do 1800 roku wyprodukowano około 500 takich maszyn.

Ponieważ właściciele kopalń i fabryk pytali, ile koni roboczych zastąpi nowy silnik, Watt wprowadził pojęcie konia mechanicznego. Określił jego moc jako zdolność wykonania pracy równej podniesieniu ciężaru 33 000 funtów (około 15 ton) na wysokość jednej stopy (30,48 cm) w ciągu minuty, co odpowiada około 746 watom. Miara ta miała znaczenie marketingowe i poznawcze, pozwalając porównywać wydajność maszyny z pracą żywej istoty.

Oprócz silnika parowego Watt skonstruował również kopiarkę listów, opatentowaną w 1780 roku. Prowadził też badania nad składem wody i niezależnie od Antoine’a Lavoisiera oraz Henry’ego Cavendisha potwierdził, że jest ona związkiem wodoru i tlenu. Ponadto zajmował się metodami bielenia tkanin z użyciem chloru. Co zaskakujące, wszystkie te osiągnięcia, a zwłaszcza nowoczesny silnik parowy, przyniosły mu trwały sukces finansowy dopiero po ukończeniu pięćdziesiątego roku życia.

W 1764 roku poślubił Margaret Miller, z którą miał sześcioro dzieci, z czego tylko dwoje dożyło wieku dorosłego. Po śmierci żony w 1773 roku ożenił się ponownie z Ann MacGregor. Zmarł 25 sierpnia 1819 roku w Heathfield w wieku 83 lat.

Wynaleziony przez Jamesa Watta silnik parowy z oddzielnym kondensatorem oraz kolejnymi ulepszeniami wielokrotnie zwiększył sprawność wcześniejszych maszyn parowych i obniżył koszty energii. Był to jeden z kluczowych czynników pierwszej rewolucji przemysłowej. Znaczenie jego osiągnięć doceniono także symbolicznie: w 1882 roku Carl Wilhelm Siemens zaproponował, aby jednostkę mocy już oficjalnie nazwać watem, co przyjęto w 1889 roku na międzynarodowym kongresie w Paryżu. (PAP)

Marta Panas-Goworska

mpg/ aszw/