Ai là người phát minh ra máy hơi nước và James Watt là ai?

1. Tổng quan về máy hơi nước

Động cơ hơi nước, hay máy hơi nước, là một loại động cơ nhiệt sử dụng nhiệt năng của hơi nước để chuyển đổi thành cơ năng. Ban đầu, các động cơ hơi nước được dùng làm bộ phận chuyển động chính cho các máy móc như bơm, tàu hỏa, tàu thủy, máy cày, xe tải và các phương tiện giao thông khác. Dù tuabin hơi nước có thể được coi là một dạng động cơ hơi nước, chúng hiện nay chủ yếu được sử dụng trong sản xuất điện, trong khi các động cơ cũ hơn đã dần được thay thế bằng động cơ đốt trong và động cơ điện.

Khi hơi nước mở rộng, nó tạo ra lực đẩy cho piston hoặc cánh quạt, chuyển đổi năng lượng thành chuyển động quay để quay bánh xe hoặc truyền động cho các bộ phận cơ khí khác. Một ưu điểm của động cơ hơi nước là nó có thể sử dụng bất kỳ nguồn nhiệt nào để làm nóng nồi hơi, dù phổ biến nhất là củi, than đá, dầu hoặc hơi nhiệt năng từ lò phản ứng hạt nhân.

Cấu trúc của động cơ hơi nước bao gồm một nồi hơi để đun nước sôi và tạo ra hơi nước. Sự giãn nở của hơi nước tạo ra lực đẩy cho piston hoặc cánh tuabin, chuyển động thẳng này được chuyển đổi thành chuyển động quay để quay bánh xe hoặc truyền động cho các bộ phận cơ khí khác.

Động cơ hơi nước hoạt động nhờ sức mạnh của hơi nước. Khi nước trong nồi hơi được đun sôi, nó chuyển thành hơi nước và tạo ra một lực đẩy mạnh mẽ đủ để nâng nắp nồi. Sử dụng nồi hơi lớn hơn sẽ tạo ra lực đẩy lớn hơn. Khi hơi nước đi qua ống nhỏ, lực đẩy được tăng cường, đủ để vận hành máy móc.

Động cơ hơi nước hoạt động theo nguyên lý này, và đến nay, các đầu máy hơi nước và máy phát điện vẫn tiếp tục được vận hành bằng hơi nước.

2. Vai trò của máy hơi nước

Máy hơi nước đã đóng vai trò thiết yếu trong lịch sử công nghiệp và góp phần lớn vào sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Dưới đây là một số ý nghĩa quan trọng của máy hơi nước:

- Tạo ra sức mạnh: Máy hơi nước đã mở ra khả năng sản xuất sức mạnh từ hơi nước, thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ trong ngành công nghiệp và giao thông vận tải.

- Tăng năng suất: Máy hơi nước đã thay thế công sức lao động của con người và thúc đẩy tự động hóa trong sản xuất, từ đó nâng cao năng suất và giảm chi phí sản xuất.

- Mở rộng thị trường: Nhờ vào khả năng sản xuất số lượng lớn và giảm giá thành nhờ máy hơi nước, sản phẩm có thể tiếp cận nhiều người tiêu dùng hơn và mở rộng thị trường.

- Tiết kiệm năng lượng: Máy hơi nước giúp tiết kiệm năng lượng so với các phương pháp sản xuất trước đây, giảm thiểu tác động đến môi trường.

- Cơ sở cho các phát minh công nghệ sau này: Các phát minh công nghệ mới có thể đã không tồn tại nếu không có nền tảng mà máy hơi nước đã cung cấp.

Nhờ những đóng góp quan trọng của mình, máy hơi nước được xem là một phát minh vĩ đại trong lịch sử công nghiệp, ảnh hưởng sâu rộng đến sự phát triển của nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau.

3. Ai là người phát minh ra máy hơi nước? James Watt là ai?

3.1 Ai là người phát minh ra máy hơi nước?

Các động cơ hơi nước đầu tiên được thiết kế để giải quyết vấn đề nước tràn vào các mỏ khoáng sản. Vào thế kỷ 17, khi người châu Âu chuyển từ gỗ sang than làm nhiên liệu chính, các mỏ than bị đào sâu hơn và thường xuyên bị ngập nước. Jerónimo de Ayanz, một nhà quản lý khai thác mỏ người Tây Ban Nha, là người đầu tiên giải quyết vấn đề này bằng cách sáng chế một máy sử dụng hơi nước để bơm nước ra khỏi mỏ. Ông đã thử nghiệm thành công thiết bị của mình tại một mỏ bạc ở Guadalcanal, Seville vào năm 1606.

Tiếp theo, vào năm 1698, Thomas Savery, một nhà phát minh người Anh, đã chế tạo động cơ hơi nước đầu tiên. Ông dựa vào các nguyên lý mà Denis Papin, một nhà vật lý người Anh gốc Pháp, đã đề xuất trước đó. Savery thiết kế một hệ thống bơm nước gần như liên tục với hai nồi hơi. Tuy nhiên, động cơ của ông chỉ có thể bơm nước từ các mỏ có độ sâu nông, và cần cải tiến để khắc phục hạn chế này.

Vào năm 1711, Thomas Newcomen, một nhà khoa học người Anh, đã phát triển một thiết bị bơm nước hiệu quả hơn cho các mỏ. Thiết bị của ông, sử dụng động cơ hơi nước với xilanh và piston, loại bỏ nhu cầu về áp suất hơi tích lũy và khắc phục vấn đề nổ của hệ thống Savery. Được gọi là 'động cơ khí quyển', vì áp suất hơi gần bằng áp suất khí quyển, động cơ của Newcomen mặc dù có nhiều cải tiến, vẫn còn hạn chế như hiệu suất không cao và cần nhiều nước để làm mát xilanh, cùng với nguồn năng lượng để làm nóng lại xilanh. Tuy nhiên, động cơ của ông vẫn được sử dụng rộng rãi trong 50 năm tiếp theo.

Năm 1765, kỹ sư Scotland James Watt đã cải tiến động cơ của Newcomen. Watt nhận thấy rằng động cơ này tiêu tốn quá nhiều hơi nước. Để khắc phục, ông đã loại bỏ việc làm mát và hâm nóng liên tục cho xilanh hơi, thay vào đó phát triển một bình ngưng tụ riêng biệt để duy trì nhiệt độ ổn định cho xilanh hơi, từ đó tăng gấp đôi hiệu suất của động cơ Newcomen.

Vào năm 1776, James Watt đã hợp tác với doanh nhân Matthew Boulton để sản xuất động cơ mới mang tên 'động cơ hơi nước Boulton-Watt'. Đây là động cơ đầu tiên cho phép điều chỉnh tốc độ máy bằng bộ điều tốc ly tâm (centrifugal governor).

Cải tiến của Watt kết hợp với sự nhìn xa trông rộng của Boulton đã thúc đẩy việc áp dụng máy móc vào dây chuyền sản xuất khắp nước Anh, sau đó là Mỹ và toàn thế giới. Máy hơi nước đã nhanh chóng mở rộng từ khai thác mỏ sang các ngành công nghiệp khác như gia công kim loại và dệt may, phù hợp với guồng quay tơ ở các nhà máy dệt châu Âu. Đây là bước ngoặt quan trọng cho cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ nhất.

Trước khi động cơ hơi nước ra đời, các nhà máy phải dựa vào năng lượng gió hoặc dòng chảy của nước, do đó chỉ có thể xây dựng ở những khu vực cụ thể. Động cơ hơi nước đã giải phóng nhà máy khỏi sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng tự nhiên, cho phép xây dựng nhà máy ở bất kỳ đâu, không chỉ dọc theo các dòng sông.

Ngoài việc cung cấp năng lượng cho các công xưởng, máy hơi nước còn được ứng dụng trong ngành giao thông vận tải. Vào đầu thế kỷ 19, động cơ hơi nước đã được chế tạo đủ nhỏ để lắp vào đầu máy xe lửa và tàu thủy.

Vào ngày 19/8/1807, nhà phát minh người Mỹ Robert Fulton đã thiết kế và thử nghiệm thành công chiếc tàu chở khách chạy bằng máy hơi nước trên sông Hudson, mở đầu cho các chuyến đi định kỳ từ New York đến Albany.

Năm 1814, kỹ sư người Anh George Stephenson đã chế tạo thành công xe lửa chạy bằng máy hơi nước. Đây là lần đầu tiên trong lịch sử, hàng hóa được vận chuyển trên đất liền bằng phương tiện cơ giới thay vì sức kéo của con người hay động vật.

Có thể nói, vào khoảng cuối thế kỷ 17, cụ thể là năm 1698, kỹ sư người Anh Thomas Savery đã phát minh ra máy hơi nước. Máy của ông là một thiết bị đơn giản, sử dụng hơi nước để tạo áp suất và bơm nước lên cao. Sau đó, James Watt đã cải tiến đáng kể máy hơi nước và phổ biến ứng dụng của nó trong công nghiệp và giao thông vận tải.

3.2 James Watt là ai?

James Watt sinh ngày 19 tháng 1 năm 1736 tại thị trấn Greenock, Scotland. Ngay từ khi còn trẻ, ông đã say mê với các thí nghiệm trong thiên văn học và hóa học. Cha của James đã gửi ông đến London để học hỏi về hệ thống ống nước. James hoàn thành khóa học bảy năm trong chỉ một năm và trở về quê để tìm việc làm thợ cơ khí chế tạo dụng cụ chính xác tại Đại học Glasgow.

Vào năm 1769, James Watt đã nhận được bằng sáng chế quan trọng cho phương pháp 'giảm tiêu thụ hơi trong động cơ hơi nước'. Ông nghiên cứu và cải tiến động cơ hơi nước qua nhiều giai đoạn. Động cơ hơi nước đầu tiên của ông ra đời vào năm 1774, và vào năm 1782, ông phát minh thành công một loại động cơ hơi nước liên tục, được đặt theo tên ông. Sự phát minh này đã có ảnh hưởng lớn đến ngành công nghiệp chế tạo máy.

Ngoài việc phát minh động cơ hơi nước, Watt còn sáng chế nhiều công cụ khác như kính đo áp suất cho nồi hơi, áp kế thủy ngân, mực sao chép và chỉ báo áp suất. Ông cũng là người đưa ra đơn vị đo công suất mã lực, được sử dụng rộng rãi ngày nay.