James Watt

James Watt (19 tháng 1 năm 1736 – 25 tháng 8 năm 1819) là một nhà phát minh và kỹ sư người Scotland, nổi bật với các cải tiến trong thiết kế máy hơi nước, góp phần quan trọng vào Cách mạng công nghiệp. Ông là người đầu tiên định nghĩa khái niệm mã lực và đơn vị đo năng lượng watt được đặt theo tên ông.

Hồ sơ cá nhân

Thời thơ ấu

James Watt sinh ngày 19 tháng 1 năm 1736 tại Greenock, Renfrewshire, một cảng biển nằm bên Firth of Clyde. Cha ông là một thợ đóng tàu, chủ tàu và nhà thầu, trong khi mẹ ông, bà Agnes Muirhead, đến từ một gia đình có truyền thống học vấn và danh giá. Cả hai đều theo đạo Presbyterian. Ông nội của Watt, Thomas Watt, là một thầy giáo dạy toán và baillie cho Baron of Cartsburn. Mặc dù cha mẹ theo đạo, Watt lại trở thành một tín đồ của chủ nghĩa tự nhiên.

Watt không học hành thường xuyên và được mẹ dạy học tại nhà. Sau đó, ông theo học tại trường Greenock Grammar, nơi bộc lộ tài năng về toán học. Mặc dù không thích tiếng Latin và Hy Lạp cổ, ông lại rất đam mê thần thoại Scotland.

Khi 18 tuổi, mẹ ông qua đời và sức khỏe của cha ông bắt đầu suy giảm. Watt tới London để học về thiết bị đo lường trong một năm, rồi trở về Scotland và đến Glasgow với ý định mở xưởng sản xuất thiết bị đo lường. Tuy nhiên, ông không đủ điều kiện để được cấp phép từ Cơ quan quản lý thợ thủ công Glasgow do không hoàn thành ít nhất 7 năm học việc, dù thời điểm đó không có thợ chế tạo dụng cụ cơ khí nào ở Scotland.

Các giáo sư tại Đại học Glasgow đã cứu Watt khỏi khó khăn này bằng cách cho phép ông mở một xưởng nhỏ trong trường vào năm 1757. Một trong những giáo sư, Joseph Black, nhà vật lý và hóa học, trở thành bạn và người thầy của Watt.

Năm 1767, Watt kết hôn với cháu Joseph, Biller Miller và có sáu con. Miller qua đời trong khi sinh năm 1772. Năm 1777, ông kết hôn với Ann MacGregor, con gái của một nhà nhuộm tại Glasgow, và có hai con: Gregory (1777–1804), một nhà địa chất học và khoáng vật học, và Janet (1779–1794). Ann qua đời năm 1832. Trong giai đoạn 1777 đến 1790, ông sống tại Regent Place, Birmingham.

Những thí nghiệm đầu tiên với hơi nước

Năm 1759, người bạn của Watt, John Robison, đã giới thiệu với ông về việc sử dụng hơi nước như một nguồn năng lượng. Động cơ Newcomen, được dùng trong gần 50 năm để bơm nước từ các mỏ, không có nhiều thay đổi từ bản gốc. Dù chưa bao giờ thấy động cơ hơi nước hoạt động, Watt bắt đầu thí nghiệm với hơi nước và cố gắng chế tạo một mô hình, dù không thành công. Ông tiếp tục nghiên cứu và đọc tất cả tài liệu liên quan, nhận ra vai trò quan trọng của nhiệt ẩn trong việc phát triển động cơ, một khái niệm mà người bạn Joseph Black đã phát hiện ra trước đó. Hiểu biết về động cơ hơi nước thời kỳ đó còn rất hạn chế, và khoa học về nhiệt động lực học không được phát triển thêm trong hơn một thế kỷ.

Ý tưởng và sự nghiệp

Từ khi còn nhỏ, Watt đã bị cuốn hút bởi ý tưởng chế tạo một chiếc máy hơi nước. Đam mê này đã thôi thúc ông không ngừng cải tiến. Mặc dù động cơ hơi nước của Newcomen (1705) được sử dụng rộng rãi, nhưng Watt nhận thấy nó còn nhiều khuyết điểm và cần cải tiến. Đây chính là động lực khiến ông quyết tâm phát triển một phiên bản máy hơi nước hoàn thiện hơn.

Từ năm 1763 đến 1764, tại Đại học Glasgow, Watt đã tập trung nghiên cứu máy hơi nước. Ông coi việc nghiên cứu nguyên lý và cấu trúc của máy hơi nước là nhiệm vụ chính, điều này khiến ông dành nhiều thời gian và tâm sức cho công việc này.

Một buổi sáng khi đi dạo trên sân golf, mặt trời chiếu sáng khiến Watt cảm thấy ấm áp. Đột nhiên, một đám mây đen che khuất mặt trời, bầu trời tối sầm lại, gió thổi làm không gian trở nên mát mẻ và dễ chịu. Ông nhìn lên bầu trời và nảy ra ý tưởng mới: 'Nếu tôi thiết kế một bộ ngưng tụ hơi nước để làm cho hơi nước chuyển ngay về trạng thái nước ngay trong quá trình, thì không phải xi-lanh sẽ giữ được nhiệt độ cao hơn sao?'

Để chế tạo một loại máy hơi nước mới, Watt và các trợ lý của ông làm việc không ngừng nghỉ, nhưng gặp khó khăn lớn và nợ nần chồng chất. Có lúc, họ không đủ tiền để trang trải bữa ăn. Dù vậy, Watt không từ bỏ, và nỗ lực của ông cuối cùng đã đem lại thành công vào năm 1765 với việc chế tạo thành công một máy hơi nước mới.

Loại máy hơi nước mới của Watt giảm tiêu thụ than đến 3-4 lần so với máy Newcomen và nâng cao hiệu suất đáng kể. Thành công này đã tiếp thêm động lực cho Watt, ông tiếp tục cải tiến để giảm lượng than tiêu thụ và tăng hiệu suất hơn nữa.

Năm 1782, Watt giới thiệu máy hơi nước mới của mình, với hiệu suất làm việc cao và tiêu thụ ít than. Phát minh này đã làm cho máy hơi nước Newcomen trở nên lỗi thời và không còn được sử dụng.

Máy hơi nước do Watt phát minh nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi. Các tàu thuyền và tàu hỏa sử dụng máy hơi nước liên tiếp ra đời, đánh dấu sự khởi đầu của kỷ nguyên công nghiệp toàn cầu với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hơi nước.

Vào tháng 6 năm 1775, Boulton và Watt ký kết hợp đồng 25 năm, thành lập công ty Boulton-Watt để sản xuất và phân phối máy hơi nước mới. Hợp tác này đã tạo điều kiện cho Watt phát triển các mẫu máy hơi nước tiên tiến hơn. Trong 25 năm tiếp theo, công ty Boulton-Watt đã cung cấp số lượng lớn máy hơi nước ra thị trường.

Năm 1781, Watt phát minh ra bộ bánh răng giúp máy hơi nước chuyển động xoay tròn, mở rộng khả năng ứng dụng của nó. Ông cũng phát minh bộ điều chỉnh tốc độ bằng ly tâm, cho phép máy hơi nước tự động điều chỉnh. Đến năm 1790, ông đã phát minh đồng hồ áp suất, đồng hồ chỉ thị, van điều tiết và nhiều cải tiến quan trọng khác.

Năm 1782, máy hơi nước chuyển động hai chiều của Watt được cấp bằng sáng chế độc quyền. Đến năm 1784, máy hơi nước kiểu nằm cũng được cấp bằng sáng chế. Máy hơi nước trở nên phổ biến và được gọi là máy hơi nước đa năng nhờ tính ứng dụng rộng rãi của nó.

Bốn năm sau, Watt phát minh bộ điều chỉnh tốc độ bằng ly tâm và bộ điều tiết hơi. Đến năm 1790, ông chế tạo thành công bộ đo công suất của xi-lanh đầu tiên. Đây là bước đột phá lớn trong công nghệ sản xuất, đánh dấu sự khởi đầu của kỷ nguyên máy hơi nước.

Ảnh hưởng của máy hơi nước đối với xã hội

Máy hơi nước đã tạo ra ảnh hưởng sâu rộng trong cuộc cách mạng công nghiệp. Trước khi máy hơi nước xuất hiện, dù một số người đã biết tận dụng sức gió và nước, nhưng động lực chính vẫn là sức lao động của con người. Máy hơi nước đã giúp nhân loại vượt qua sự giới hạn này.

Bên cạnh việc cung cấp năng lượng cho các xưởng, máy hơi nước còn được ứng dụng rộng rãi trong giao thông. Tính ứng dụng của máy hơi nước đã thúc đẩy cách mạng phương tiện giao thông ở Anh. Vào năm 1814, kỹ sư người Anh George Stephenson chế tạo thành công xe lửa chạy bằng hơi nước và được gọi là 'Cha đẻ của đầu máy xe lửa.'

Cải tiến giao thông đường thủy bao gồm việc chế tạo các tàu có thể sử dụng máy hơi nước làm động lực. Vào ngày 19 tháng 8 năm 1807, nhà phát minh người Mỹ Fulton đã thử nghiệm thành công một chiếc tàu hơi nước trên sông Hudson và mở các chuyến chạy định kỳ từ New York đến Albany.