Biografia de James Watt, inventor moderno de motores a vapor

James Watt (19 de janeiro de 1736 a 25 de agosto de 1819) foi um inventor, engenheiro e químico escocês. Ele desenvolveu um viável motor a vapor que utilizou um condensador separado; essa inovação fez do motor a vapor uma ferramenta útil para uma vasta gama de usos. De muitas maneiras, a invenção de Watt - ou melhor, sua melhoria de uma invenção anterior, o motor a vapor Newcomen - foi o impulso tecnológico por trás do Revolução Industrial.

Fatos rápidos: James Watt

James Watt nasceu em 19 de janeiro de 1736, em Greenock, na Escócia, como o único filho sobrevivente de quatro filhos de James Watt (1699-1737) e Agnes Muirhead (1901-1754). Greenock era uma vila de pescadores que durante a vida de Watt se tornou uma cidade movimentada, com uma frota de navios a vapor. O avô de James Jr., Thomas Watt (1642-1734), era um matemático conhecido e professor de escola local. James Sr. era um cidadão de destaque de Greenock e um carpinteiro e lustrador de navios de sucesso que trabalhava em equipar navios e trabalhar em seus instrumentos, bússolas e quadrantes. Em vários momentos, James Sr. também foi o principal magistrado e tesoureiro da cidade.

James Watt era inteligente, mas por problemas de saúde, ele não pôde frequentar a escola regularmente. Em vez disso, ele ganhou as habilidades que mais tarde precisaria em Engenharia e ferramentas trabalhando com o pai em projetos de carpintaria. Aos 6 anos, James Watt estava resolvendo problemas geométricos e conduzindo sua primeira investigação sobre a natureza do vapor, que envolvia experimentar a chaleira de chá de sua mãe. Na infância, Watt era um leitor ávido e encontrou algo que o interessava em todos os livros que chegavam a suas mãos.

Quando Watt finalmente foi enviado para a escola da vila, sua saúde debilitada o impediu de progredir rapidamente; foi só quando ele tinha 13 ou 14 anos que começou a exibir suas habilidades, principalmente em matemática. Passava seu tempo livre desenhando com lápis, esculpindo e trabalhando na bancada de ferramentas com madeira e metal. Ele fez muitos engenhosos trabalhos mecânicos e alguns belos modelos, e gostava de reparar instrumentos náuticos.

Depois que sua mãe morreu em 1754, Watt, de 18 anos, foi enviado a Glasgow para treinar como comerciante com seu tio John Muirhead. Um dos parentes de sua mãe era presidente do departamento de línguas e humanidades orientais do Glasgow College, e Watt tornou-se membro da sociedade literária de lá. Ele também conheceu outros estudiosos em Glasgow que se mostrariam influentes e apoiadores de sua carreira: Robert Dick, professor de filosofia natural, Robert Simpson em matemática e William Cullen em medicina e química.

Foi Dick quem sugeriu que Watt fosse a Londres para obter treinamento como fabricante de instrumentos de matemática. Com uma carta de apresentação, Watt partiu para Londres em 1755 e começou a trabalhar com o fabricante de instrumentos John Morgan. Watt não era oficialmente um aprendiz, mas trabalhou com instrumentação mecânica: Morgan pensou que era talentoso, mas demorou muito para concluir seu trabalho. O trabalho com Morgan terminou em junho de 1756 e Dick conseguiu uma posição de curto prazo para trabalhar em um relógio astronômico, refletindo telescópios e instrumentos de trânsito. Watt retornou a Greenock no final do ano, mas logo voltou a Glasgow, onde começou um pequeno negócio na fabricação de quadrante. Ele foi nomeado fabricante de instrumentos matemáticos no Glasgow College, apoiado pelo substituto de Dick, John Anderson, e pelo substituto e químico de Cullen Joseph Black (1728–1799). Black é mais conhecido por seu trabalho em manobras latentes e específicas e por sua descoberta de dióxido de carbono, e ele se tornaria um forte defensor de Watt.

Em 1759, John Robison, um estudante de Glasgow, mostrou a Watt um modelo da Motor a vapor Newcomen e sugeriu que poderia ser usado para impulsionar carruagens. O Newcomen foi inventado e patenteado em 1703 por Thomas Newcomen (1664-1729), e Watt começou a construir modelos em miniatura usando cilindros de vapor de estanho e pistões presos às rodas motrizes por um sistema de engrenagens. Em suas próprias experiências, ele usou, a princípio, testes de boticários e bengalas ocas para reservatórios e tubos de vapor e, mais tarde, um digestor de Papin e uma seringa comum. A última combinação produziu um motor sem condensação, no qual ele usava vapor a uma pressão de 15 libras por polegada quadrada. A válvula foi trabalhada manualmente e James Watt viu que era necessária uma engrenagem de válvula automática para fabricar uma máquina em funcionamento. Esse experimento, no entanto, não levou a resultados práticos e, durante os próximos anos, ele abandonou esta pesquisa.

Watt ficou na faculdade até a década de 1760, quando iniciou uma parceria com um comerciante chamado John Craig, financiado em parte com Black. Um empreendimento deles era produzir álcalis a partir de sal - no século XVIII, álcalis só podiam ser produzidos a partir de plantas. Craig e Watt eram uma das várias pessoas que procuravam uma maneira de criá-lo quimicamente, um esforço não alcançado até 1820. Watt e Craig também trabalharam em fornos de cerâmica e esmaltes para fazer delftware com estanho.

Em 1764, Watt se casou com Margaret Millar, conhecida como Peggy, uma prima que ele conhecia desde que eram crianças. Eles deveriam ter cinco filhos, dos quais apenas dois viveram até a idade adulta: Margaret, nascida em 1767, e James III, nascida em 1769, que quando adulto se tornaria o principal parceiro de negócios e suporte de seu pai.

No inverno de 1763 a 1764, John Anderson, em Glasgow, pediu a Watt que reparasse um modelo do motor Newcomen. Ele foi capaz de fazê-lo funcionar, mas estava curioso para saber por que a máquina consumia tanto vapor e água condensada. Watts começou a estudar a história do motor a vapor e conduziu uma pesquisa experimental sobre as propriedades do vapor.

O modelo de motor a vapor Newcomen tinha uma caldeira feita à escala e era incapaz de fornecer vapor suficiente para alimentar um motor. Tinha cerca de nove polegadas de diâmetro; o cilindro de vapor tinha duas polegadas de diâmetro e um curso de pistão de seis polegadas. A Watt fabricou uma nova caldeira que podia medir a quantidade de água evaporada e o vapor condensado a cada curso do motor.

Watt logo descobriu que o motor precisava de uma quantidade muito pequena de vapor para aquecer uma quantidade muito grande de água. Ele imediatamente começou a determinar com precisão os pesos relativos de vapor e água no cilindro de vapor quando a condensação ocorreu no curso descendente do motor. James Watt provou independentemente a existência de "calor latente, "que havia sido descoberto por seu mentor e apoiador Joseph Black. Watt foi para Black com sua pesquisa, que compartilhou seu conhecimento com Watt. Watt descobriu que, no ponto de ebulição, seu vapor de condensação era capaz de aquecer seis vezes o peso da água usada na produção condensação.

Percebendo que o peso do vapor por peso era um absorvente e reservatório de calor muito maior do que Watt viu a importância de tomar mais cuidado para economizá-la do que anteriormente tentada. Inicialmente, ele economizou na caldeira e fabricou caldeiras com "conchas" de madeira para evitar perdas por condução e radiação. Ele também usou um número maior de condutas do que o Newcomen para garantir uma absorção mais completa do calor dos gases do forno. Ele também cobriu seus tubos de vapor com materiais não condutores e tomou todas as precauções para garantir a utilização completa do calor de combustão.

Ele logo descobriu que as fontes de perda de calor no motor Newcomen eram:

• A dissipação de calor pelo próprio cilindro, que era de latão e era um bom condutor e um bom radiador.
• A perda de calor resultante da necessidade de resfriar o cilindro a cada curso na produção do vácuo.
• A perda de potência devido à pressão de vapor sob o pistão, que foi uma consequência do método imperfeito de condensação.

Sua primeira tentativa de um cilindro de material não condutor foi feita de madeira embebida em óleo e depois cozida, o que aumentou a economia de vapor. Ele então conduziu uma série de experimentos muito precisos sobre a temperatura e a pressão do vapor, medindo a quantidade de vapor usada em cada curso do motor. Ele conseguiu confirmar sua conclusão anterior de que três quartos do calor fornecido ao motor foram desperdiçados.

Após suas investigações científicas, James Watt trabalhou na melhoria do motor a vapor com uma compreensão inteligente de seus defeitos existentes e um conhecimento de sua causa. Watt logo percebeu que, para reduzir as perdas no funcionamento do vapor no cilindro, seria necessário encontrar uma maneira de manter constantemente o cilindro tão quente quanto o vapor que entrava isto.

De acordo com James Watt: "A idéia me veio à mente de que, como o vapor era um corpo elástico, ele entraria no vácuo e, se um comunicação fosse feita entre o cilindro e uma embarcação exausta, ela entraria nela e poderia estar lá condensada sem resfriamento o cilindro. Vi então que precisava me livrar do vapor condensado e da água de injeção se usasse um jato, como no motor da Newcomen. Duas maneiras de fazer isso me ocorreram: primeiro, a água pode ser escorrida por um tubo descendente, se um jato for atingido a uma profundidade de 35 ou 36 pés e qualquer ar puder ser extraído por uma pequena bomba. O segundo foi: tornar a bomba grande o suficiente para extrair água e ar ".

Ele continuou: "Quando analisado, a invenção não pareceria tão grande quanto parecia. No estado em que encontrei o motor a vapor, não foi um grande esforço observar que a quantidade de combustível necessária para fazê-lo funcionar impediria para sempre sua extensa utilidade. O próximo passo no meu progresso foi igualmente fácil - indagar qual foi a causa do grande consumo de combustível. Isso também foi prontamente sugerido, a saber, o desperdício de combustível necessário para trazer todo o cilindro, pistão, e partes adjacentes, da frieza da água ao calor do vapor, não menos que 15 a 20 vezes em um minuto. "

James Watt inventou o seu importante condensador separado. Ele passou a fazer um teste experimental de sua nova invenção. Seu pequeno modelo funcionou muito bem, e a perfeição do vácuo foi tal que a máquina levantou um peso de 18 libras suspenso da haste do pistão. Ele então construiu um modelo maior, e o resultado do teste confirmou os resultados de seus primeiros experimentos.

Levou anos para Watt descobrir os detalhes do novo motor a vapor. Para começar, Watt teve que encontrar uma maneira de impedir que o condensador se enchesse de água. Ele tentou várias abordagens, incluindo uma bomba de ar, que liberava o condensador da água e o ar que se acumulava no condensador e diminuía o vácuo. Em seguida, ele substituiu o óleo e o sebo pela água usada para lubrificar o pistão, mantendo o vapor firme e impedindo o resfriamento do cilindro. Outra causa de refrigeração do cilindro e consequente desperdício de energia em sua operação foi a entrada de ar, que seguia o pistão pelo cilindro a cada curso, resfriando seu interior contato. O inventor impediu que isso acontecesse, cobrindo a parte superior do cilindro e cercando todo o cilindro com uma invólucro, ou "camisa de vapor", que permitia que o vapor da caldeira passasse pelo cilindro de vapor e pressione a superfície superior do pistão.

Depois de construir seu maior motor experimental, Watt alugou um quarto em uma velha cabana deserta. Lá, ele trabalhou com o mecânico Folm Gardiner. Watt acabara de conhecer John Roebuck, um médico rico que, juntamente com outros capitalistas escoceses, havia fundado recentemente a célebre Carron Iron Works. Roebuck começou a apoiar financeiramente os esforços de Watt e Watt frequentemente escrevia para Roebuck descrevendo seu progresso.

Em agosto de 1765, ele experimentou o motor pequeno e escreveu para Roebuck que ele tinha "um bom sucesso", embora a máquina fosse muito imperfeita, e informou Roebuck que estava começando a fabricar o modelo maior. Em outubro de 1765, ele terminou o grande motor a vapor. O motor, enquanto estava pronto para o teste, ainda estava longe de ser perfeito. Não obstante, fez um bom trabalho para uma máquina tão rudimentar.

Infelizmente, em 1765, James Watt foi reduzido à pobreza e, depois de emprestar quantias consideráveis ​​de amigos, ele finalmente teve que procurar emprego para sustentar sua família. Durante um período de cerca de dois anos, ele se sustentou como engenheiro civil, pesquisando e gerenciando a construção de vários canais na Escócia e explorando campos de carvão no bairro de Glasgow para os magistrados da cidade. No entanto, ele não desistiu inteiramente de sua invenção.

Em 1767, Roebuck assumiu o passivo de Watt no valor de 1.000 libras esterlinas e concordou em fornecer mais capital em troca de dois terços da patente de Watt. Outro motor foi construído com um cilindro de vapor de sete ou oito polegadas de diâmetro, terminado em 1768. Isso funcionou suficientemente bem para induzir os parceiros a solicitar uma patente, e as especificações e desenhos foram concluídos e apresentados em 1769.

Watt também construiu e montou vários motores Newcomen, em parte, talvez, para se familiarizar mais com os detalhes práticos da construção de motores. Enquanto isso, ele preparou planos e construiu um motor moderadamente grande de seu novo tipo. Seu cilindro de vapor tinha 18 polegadas de diâmetro e o curso do pistão era de 5 pés. Este motor foi construído em Kinneil e foi concluído em setembro de 1769. Nem tudo foi satisfatório em sua construção ou operação. O condensador era um condensador de superfície composto por tubos parecidos com os usados ​​em seu primeiro pequeno modelo e não se mostrou satisfatoriamente apertado. O pistão a vapor vazou seriamente, e testes repetidos só serviram para tornar suas imperfeições mais evidentes. Ele foi auxiliado com apoio financeiro e moral por Joseph Black e John Roebuck, mas sentiu fortemente sobre os riscos que corria ao envolver seus amigos em sérias perdas e tornou-se muito desanimado.

Escrevendo para Black, Watt disse: "De todas as coisas na vida, não há nada mais tolo do que inventar; e provavelmente a maioria dos inventores foi levada à mesma opinião por suas próprias experiências ".

Em 1768, James Watt viajou para Londres para obter sua patente, e no caminho conheceu Matthew Boulton. Boulton era o proprietário de uma empresa de fabricação de Birmingham conhecida como Soho Manufactory, que fabricava pequenos produtos de metal. Ele herdou os negócios de seu pai e os construiu consideravelmente. Ele e seus negócios eram muito conhecidos no movimento iluminista inglês de meados do século XVIII.

Boulton era um bom estudioso, com um conhecimento considerável de línguas e ciências - principalmente matemática - apesar de ter deixado a escola quando menino para ir trabalhar na loja de seu pai. Na loja, ele logo apresentou uma série de melhorias valiosas e estava sempre à procura de outras idéias que pudessem ser introduzidas em seus negócios.

Ele também era membro do famoso Sociedade Lunar de Birmingham, um grupo de homens que se reuniram para discutir filosofia natural, engenharia e desenvolvimento industrial juntos: outros membros incluíram o descobridor de oxigênio Joseph Priestley,Erasmus Darwin (avô de Charles Darwin) e o oleiro experimental Josiah Wedgewood. Watt se juntou ao grupo depois que ele se tornou parceiro de Boulton.

Um estudioso extravagante e enérgico, Boulton conheceu Benjamin Franklin em 1758, que depois visitou o Soho. Em 1766, esses distintos homens estavam correspondendo, discutindo entre outras coisas a aplicabilidade do poder do vapor a vários propósitos úteis. Eles projetaram um novo motor a vapor e Boulton construiu um modelo, que foi enviado a Franklin e exibido por ele em Londres. Eles ainda tinham que tomar consciência da existência de James Watt.

Quando Boulton conheceu Watt em 1768, ele gostou do seu motor e decidiu comprar um interesse na patente. Com o consentimento de Roebuck, Watt ofereceu a Boulton uma participação de um terço. Embora houvesse várias complicações, eventualmente Roebuck propôs transferir para Matthew Boulton metade de sua propriedade nas invenções de Watt, no valor de 1.000 libras. Esta proposta foi aceita em novembro de 1769.

Em novembro de 1774, Watt finalmente anunciou a seu antigo parceiro Roebuck que havia feito um teste bem-sucedido do motor Kilmeil. Ele não escreveu com o habitual entusiasmo e extravagância; em vez disso, ele simplesmente escreveu: "O carro de bombeiros que eu inventei agora está funcionando e responde muito melhor do que qualquer outro que já foi fabricado, e espero que o invenção será muito benéfico para mim ".

Um dos motivos de sua falta de entusiasmo foi o fato de sua esposa ter morrido durante o parto no ano anterior, em setembro de 1773. Cansado, Watt se enterrou no trabalho. Desde meados de fevereiro de 1774, ele trabalhava em termômetros e barômetros. Ele encerrou seu negócio de engenharia civil na Escócia (em parte por causa de uma crise financeira na Escócia) e em maio viajou para o sul, para Birmingham, onde ingressou na Lunar Society. Em 1775, ele entrou em uma parceria de tempo integral com Matthew Boulton.

A partir desse ponto, a empresa de Boulton e Watt conseguiu produzir uma variedade de motores em funcionamento com aplicações no mundo real. Novas inovações e patentes foram retiradas de máquinas que poderiam ser usadas para moer, tecer e fresar. Motores a vapor foram utilizados para o transporte em terra e na água. Quase toda invenção bem-sucedida e importante que marcou o história do poder do vapor por muitos anos teve origem nas oficinas de Boulton e Watt.

O trabalho de Watt com Boulton transformou-o em uma figura de estatura internacional entre homens de letras. Sua patente de 25 anos lhe trouxe riqueza; e ele e Boulton se tornaram líderes no Iluminismo tecnológico na Inglaterra, com uma sólida reputação de engenharia inovadora. Watt casou-se com Ann Macgregor em 1776 e tiveram dois filhos (Gregory e Jessy), os quais morreriam jovens. James Watt Jr., filho de sua primeira esposa, sobreviveu ao pai e passou a desempenhar um papel no contínuo Iluminismo inglês.

Como resultado de sua parceria com Matthew Boulton, James Watt se tornou um homem muito rico, construindo uma elegante mansão conhecida como "Heathfield House" em Handsworth, Staffordshire. Aposentou-se em 1800 e passou o resto de sua vida em lazer e viajando para visitar amigos e familiares. Ele morreu em 25 de agosto de 1819, em Heathfield. Ele foi enterrado no cemitério da Igreja de Santa Maria em Handsworth.

De uma maneira muito significativa, as invenções de Watt estimularam a Revolução Industrial e as inovações da idade moderna, variando de automóveis e trens a fábricas e as questões sociais que evoluíram como resultado. Além disso, o nome de Watt foi atribuído a ruas, museus e escolas. Sua história inspirou livros, filmes e obras de arte, incluindo estátuas nos Jardins Piccadilly e na Catedral de São Paulo.

Na estátua de São Paulo estão gravadas as palavras: "James Watt... ampliou os recursos de seu país, aumentou a poder do homem, e ascendeu a um lugar eminente entre os mais ilustres seguidores da ciência e os verdadeiros benfeitores da mundo."

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