瓦特
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瓦特（又譯華忒[1]，James Watt；1736年1月19號—1819年8月19號）係蘇格蘭發明家兼工程師。佢喺1776年改良咗湯瑪斯·紐科門嘅蒸汽機，係工業革命嘅基礎。
生平同教育
[編輯]瓦特喺1736年1月19號出世喺蘇格蘭嘅格里諾克（Greenock），佢爸爸係一個造船商同執政官。瓦特細個身體潺弱，喺屋企由媽媽教導，之後喺文法學校學習拉丁文、希臘文同數學。佢喺父親嘅工作坊度學到好多船隻用嘅儀器，佢自己亦都製作模型同埋熟悉船隻儀器。[2]
科學研究同發明
[編輯]瓦特同個水煲
[編輯]有個好流行嘅故事話，瓦特見到水煲煲水嗰陣，水蒸氣頂起煲蓋，就啟發咗佢發明蒸氣機，展示咗蒸氣嘅威力。呢個故事有好多版本：有啲話瓦特係個細路仔，有啲話佢大個啲；有時係佢阿媽個水煲，有時係佢姑媽嘅，咁就話唔定係唔係真嘅。其實瓦特唔係「發明」咗蒸氣機，而係大大改良咗現有嘅紐科門大氣壓蒸氣機嘅效率，加咗個分離式冷凝器，符合而家熟悉嘅熱效率原理。呢個故事可能係瓦特個仔詹姆斯·瓦特·小整出嚟，為咗保存同美化佢老豆嘅遺產。[3] 睇返呢個角度，呢個故事同牛頓個蘋果跌落嚟發現重力嘅故事差唔多。
雖然可能係個神話，但係瓦特同水煲嘅故事都有事實根據。為咗理解熱同蒸氣嘅熱力學，瓦特做咗好多實驗室實驗，佢嘅日記記錄咗佢用水煲做鍋爐嚟產生蒸氣。[4]
早期蒸氣實驗
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1759年，瓦特嘅朋友約翰·羅比森提醒咗佢注意用蒸氣做動力嘅源頭。[5] 紐科門機使用咗差唔多50年嚟抽水出礦井，設計冇乜改變過。瓦特開始做蒸氣實驗，雖然佢未見過真正運作嘅蒸氣機。佢試過整個模型，但係唔係好成功，不過佢繼續做實驗，仲開始讀晒所有關於呢個題目嘅嘢。佢明白到潛熱——喺恆溫過程中釋放或吸收嘅熱能——喺理解呢部機嘅重要性。佢唔知道佢朋友約瑟夫·布萊克早幾年前已經發現咗呢樣嘢。當時對蒸氣機嘅理解仲好原始，因為熱力學呢門科學仲要差唔多100年先正式形成。
1763年，瓦特俾人叫去整理大學嘅一個紐科門機模型。[5] 就算整咗之後，部機都係勉強運作。經過好多實驗，瓦特證明咗每個循環大概四分三嘅蒸氣熱能都用晒去加熱氣缸。[6] 呢啲能量都浪費咗，因為喺循環後期，要注冷水入氣缸冷凝蒸氣減低壓力。咁樣重複加熱同冷卻氣缸，部機就浪費咗大部分熱能，冇轉化做機械能。
瓦特嘅關鍵洞察力喺1765年5月經過格拉斯哥綠地公園嗰陣出現，[7] 佢諗到可以喺活塞分開嘅一個獨立嘅冷凝室入面冷凝蒸氣，仲要用「蒸氣套」包住氣缸，令氣缸溫度同注入嘅蒸氣一樣。[6] 咁樣，每個循環氣缸吸收嘅能量就好少，可以有更多能量做有用功。瓦特喺同年搞掂咗一個可以運作嘅模型。
雖然有個潛在可行嘅設計，但係整一部全尺寸嘅機仲有好大困難。呢個需要更多資金，有啲係嚟自布萊克。更大筆嘅資金係嚟自約翰·羅布克，佢係著名嘅卡隆鐵廠創辦人，喺福爾柯克附近，瓦特同佢組成咗合作關係。羅布克住喺博內斯嘅金尼爾莊園，喺呢段時間，瓦特喺隔籬間小屋度搞掂佢部蒸氣機。[9] 間小屋嘅外殼同佢一個大型計劃嘅好大部分仲喺後面度存在住。[10]
主要嘅困難係加工活塞同氣缸。嗰時啲鐵工更似係鐵匠，唔係而家嘅機械工，搞唔掂啲零件咁精確。瓦特用咗好多錢去申請專利。因為資源緊張，瓦特被迫做其他工作——開頭做測量師，之後做土木工程師——維持咗8年。[11]
羅布克破產，擁有索霍製造廠嘅馬修·博爾頓喺伯明翰附近收購咗佢嘅專利權。1775年成功將專利延長到1800年。[a]
通過博爾頓，瓦特終於可以接觸到世界上最好嘅鐵工。整一個大氣缸同一個緊貼嘅活塞嘅難題，俾約翰·威爾金森解決咗，佢喺北威爾斯雷克瑟姆附近嘅伯沙姆鐵廠為製造大炮發展咗精確鑽孔技術。瓦特同博爾頓組成咗一個非常成功嘅合夥關係，叫做博爾頓-瓦特公司，持續咗之後25年。
第一批引擎
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1776年，第一批引擎安裝並投入商業運作。呢啲早期引擎用嚟驅動泵，只產生往復運動嚟移動井底嘅泵桿。呢個設計喺商業上好成功，之後5年，瓦特好忙，主要喺康沃爾安裝更多引擎，用嚟將水抽出礦井。
呢啲早期引擎唔係博爾頓同瓦特製造，而係其他人根據瓦特嘅圖紙製造，瓦特擔任顧問工程師嘅角色。引擎嘅安裝同調試一開始由瓦特監督，之後由公司僱員監督，實際工作由買家完成。監督安裝嘅人包括威廉·默多克、約翰·倫尼、威廉·普萊費爾、約翰·南恩、洛根·亨德森、詹姆斯·勞森、威廉·布倫頓、艾薩克·佩林斯同其他人。
呢啲都係大型機器。例如第一部，氣缸直徑50英寸，總高度大約24英尺，要起一座專門嘅建築物嚟放。博爾頓同瓦特收取年費，相當於同紐科門機做同樣工作相比節省嘅煤炭價值嘅三分之一。
當博爾頓催促瓦特將活塞嘅往復運動轉化為旋轉動力用於磨粉、織布同碾磨，呢個發明嘅應用範圍大大擴闊咗。雖然曲柄似乎係最明顯嘅解決方案，但係瓦特同博爾頓俾一個專利阻住咗，持有人占士·皮卡德同佢啲同伴提議交叉授權外部冷凝器。瓦特堅決反對，佢哋喺1781年用太陽同行星齒輪繞過咗呢個專利。
之後6年，佢對蒸氣機做咗其他改進同修改。其中一個係雙動引擎，蒸氣輪流作用喺活塞兩面。佢仲描述咗「膨脹式」使用蒸氣嘅方法（即係用遠高於大氣壓力嘅蒸氣）。佢仲講到複合引擎，將兩部或者更多引擎連埋一齊。1781年同1782年佢攞到兩個專利。仲有好多其他改進令到製造同安裝更加容易。其中一個包括用蒸氣示功圖，可以畫出氣缸壓力同體積嘅關係圖，佢將呢個保密。另一個重要發明，亦係瓦特最自豪嘅，係平行運動連接裝置，呢個喺雙動引擎好重要，因為佢可以將搖臂末端嘅圓弧運動轉為氣缸桿同泵需要嘅直線運動。呢個喺1784年攞到專利。仲有控制引擎功率嘅節流閥，同埋1788年攞到專利嘅離心調速器，[12] 防止佢「失控」都好重要。呢啲改進加埋一齊，令到引擎嘅燃料效率比紐科門機高5倍。
因為鍋爐爆炸嘅危險——鍋爐當時仲喺好原始嘅階段——同埋持續有漏氣問題，瓦特限制咗高壓蒸氣嘅使用，佢所有引擎都用接近大氣壓力嘅蒸氣。
專利訴訟
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愛德華·布爾喺1781年開始喺康沃爾為寶頓同瓦特建造引擎。到1792年，佢開始製造自己設計嘅引擎，但裡面有獨立冷凝器，所以侵犯咗瓦特嘅專利。賈貝茲·卡特·霍恩布洛爾同喬納森·霍恩布洛爾細佬兩兄弟都差唔多同一時間開始建造引擎。其他人亦都開始改裝紐科門引擎，加入冷凝器，康沃爾嘅礦主都覺得瓦特嘅專利冇得執行。佢哋開始扣起畀寶頓同瓦特嘅錢，到1795年，形勢已經好差。欠咗嘅£21,000（相當於2021年嘅£2,310,000）入面，只收到£2,500。瓦特被迫要打官司去執行佢嘅權利。[13]
佢喺1793年首先告布爾。陪審團判瓦特贏，但原本專利規格係咪有效嘅問題就留待另一次審訊。喺呢段時間，法院對侵權者發出禁制令，迫佢哋將專利費存入第三方代管。第二年審專利規格有效性嘅審訊結果唔係好肯定，但禁制令仲喺度，除咗喬納森·霍恩布洛爾之外，所有侵權者都開始和解。霍恩布洛爾好快就喺1799年被告上法庭，四個陪審員一致判瓦特勝訴。佢哋嘅朋友約翰·威爾金森，解決咗精確鑽孔嘅問題，係特別嚴重嘅個案。佢喺寶頓同瓦特唔知情下起咗大約20部引擎。佢哋最後喺1796年同意和解侵權案。[14]寶頓同瓦特從來冇收齊全部欠款，但所有糾紛都係直接喺雙方之間或者透過仲裁解決。呢啲官司喺金錢同時間方面都好昂貴，但最終對公司嚟講都係成功嘅。
複印機
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1780年之前，冇乜好方法可以複印信件或者圖紙。當時唯一有時用嘅方法係用多支連住嘅筆嘅機械方法。瓦特一開始都係試吓改良呢個方法，但好快就放棄咗，因為太麻煩。佢決定試吓將原稿正面嘅墨水物理轉移到另一張紙嘅背面，呢張紙要用溶劑整濕，然後壓喺原稿上面。第二張紙要夠薄，等墨水可以透過去，拎起嚟對住光睇嘅時候就可以睇到，咁樣就可以完全複製原稿。[15][16]
瓦特喺1779年開始研發呢個過程，做咗好多實驗去調配墨水、揀薄紙、諗點樣整濕特製嘅薄紙，仲要整個壓力機去施加啱嘅壓力令到墨水轉移。呢啲都要做好多實驗，但佢好快就成功到可以喺一年之後申請專利。瓦特同寶頓（提供資金）同詹姆斯·基爾（負責管理生意）組成另一個合夥公司，叫做詹姆斯·瓦特公司。要令呢個發明完美仲要做好多開發工作先至可以畀其他人日常使用，但呢啲工作喺之後幾年都做咗。寶頓同瓦特喺1794年將佢哋嘅股份讓畀自己嘅仔。[17]佢成為咗一個商業上嘅成功，喺辦公室度用得好廣泛，甚至用到20世紀。
化學實驗
[編輯]瓦特由細個開始就對化學好有興趣。1786年年尾，佢喺巴黎目睹克勞德·路易·貝爾托萊做嘅一個實驗，佢將鹽酸同二氧化錳反應，產生出氯。佢之前已經發現到氯嘅水溶液可以漂白紡織品，仲發表咗佢嘅發現，引起咗好多潛在對手嘅興趣。瓦特返到英國之後，佢開始做呢方面嘅實驗，希望搵到一個商業上可行嘅方法。佢發現到鹽、二氧化錳同硫酸嘅混合物可以產生氯，瓦特相信呢個可能係個更平嘅方法。佢將氯通入一個弱鹼溶液，得到一個睇嚟漂白效果好嘅渾濁溶液。佢好快就將呢啲結果話畀佢岳父詹姆斯·麥格雷戈聽，佢係格拉斯哥嘅漂白工。除此之外，佢就想將呢個方法保密。[18]
佢同麥格雷戈同佢老婆安妮一齊開始擴大生產規模，到1788年3月，麥格雷戈已經可以漂白1,500碼（4,500英尺）布料，令佢好滿意。差唔多同一時間，貝爾托萊發現咗鹽同硫酸嘅方法，仲發表咗出嚟，所以成為咗公開知識。好多其他人都開始試吓改良呢個過程，因為仲有好多缺點，最大嘅問題之一就係運輸液體產品。瓦特嘅對手好快就喺開發過程中超越咗佢，佢就退出咗呢場競賽。直到1799年，查理斯·坦南特為生產固體漂白粉（次氯酸鈣）申請咗專利，先至成為商業上嘅成功。
到1794年，瓦特畀托馬斯·貝多斯揀中，為布里斯托爾霍特威爾新嘅氣體療法研究所製造生產、淨化同儲存氣體嘅器材。瓦特繼續試驗各種氣體，但到1797年，「人工空氣」（人造氣體）嘅醫療用途已經行到絕路。[19]
性格
[編輯]瓦特將科學嘅理論知識同實際應用嘅能力結合埋一齊。化學家漢弗里·戴維話：「嗰啲淨係將詹姆斯·瓦特當成偉大嘅實用機械師嘅人對佢嘅性格有好大嘅誤解；佢喺自然哲學家同化學家方面都一樣出色，佢嘅發明展示咗佢對呢啲科學嘅深入了解，仲有天才嘅獨特特徵，就係將佢哋結合起嚟作實際應用」。[20]
佢畀其他工業革命嘅知名人士好尊重。[21]佢係伯明翰月光社嘅重要成員，亦都係好多人想交談同結伴嘅對象，成日都有興趣擴闊自己嘅眼界。[22]佢同朋友同生意拍檔嘅關係一直都好融洽同持久。
我相信從來冇一個人喺生活所有方面都咁卓越同友善。
瓦特係個多產嘅通信者。佢喺康沃爾嘅歲月裡面，每個禮拜都會寫好多封長信畀寶頓。不過佢唔鍾意將自己嘅成果發表喺例如《皇家學會哲學學報》度，反而鍾意透過專利嚟傳播自己嘅諗法。[24]佢係個出色嘅繪圖員。
佢做生意嘅能力唔係好好，特別憎同想用蒸氣機嘅人講價同談條件。喺1772年寫畀威廉·斯莫爾嘅信入面，瓦特承認「佢寧願面對一門裝咗彈嘅大炮，都唔想結賬或者講生意」。[25]直到退休之前，佢成日都好擔心自己嘅財務狀況，仲有啲擔心過頭。佢嘅健康時常都唔係好好，經常受神經性頭痛同抑鬱困擾。佢喺1800年退休嘅時候，已經有錢到可以將生意傳畀佢啲仔。
索霍鑄造廠
[編輯]一開始，合夥公司製作圖紙同引擎嘅規格，仲要監督喺客戶地方安裝嘅工作。佢哋自己幾乎冇生產任何零件。瓦特大部分工作都喺伯明翰哈珀山嘅屋企做，而寶頓就喺索霍製造廠做嘢。慢慢，合夥人開始真係製造越嚟越多零件，到1795年，佢哋買咗塊地，離索霍製造廠大約一英里，喺伯明翰運河岸邊，為製造引擎開設新嘅鑄造廠。索霍鑄造廠正式喺1796年開業，當時瓦特嘅仔，格雷戈里同詹姆斯細佬都深入參與埋企業管理。1800年，即係瓦特退休嗰年，公司總共製造咗41部引擎。[26]
晚年
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瓦特喺1800年退休，同佢嘅基本專利同同寶頓嘅合夥關係一齊到期。呢個有名嘅合夥關係就轉畀佢哋嘅仔，馬修·羅賓遜·寶頓同小詹姆斯·瓦特。長期合作嘅工程師威廉·默多克好快就成為咗合夥人，公司都做得好好。
瓦特喺半退休之前同期間都繼續發明其他嘢。喺佢斯塔福德郡漢茲沃斯嘅屋企入面，瓦特將一間閣樓房間當做工作間，喺度做好多發明。[27]佢發明同製造咗好多複製雕塑同獎章嘅機器，效果好好，但佢從來都冇申請專利。[28]佢用呢部機器整嘅第一件雕塑就係佢嘅老朋友教授亞當·史密斯嘅個細頭像。佢仲繼續對土木工程有興趣，喺好多重要項目度做顧問。例如，佢提出咗一個方法去建造一條軟管，用嚟喺格拉斯哥嘅克萊德河底抽水。[29]
佢同第二任老婆去咗法國同德國旅行，仲喺威爾士中部買咗個莊園，叫做杜爾多洛德莊園，喺蘭沃斯威爾南面一英里，佢將佢改善咗好多。
1816年，佢坐明輪船「彗星號」（佢嘅發明嘅產物）返去佢嘅出生地格林諾克探訪。[30]
佢喺1819年8月25日，喺斯塔福德郡（而家係伯明翰一部分）漢茲沃斯附近嘅屋企「希斯菲爾德莊園」過身，享年83歲。[31][32]佢喺9月2日葬喺漢茲沃斯聖瑪麗教堂嘅墓地。[33]教堂之後擴建過，佢嘅墳墓而家喺教堂入面。
蒸汽機嘅發明同實驗
[編輯]1759年，瓦特嘅朋友約翰·羅比遜（John Robison）同佢提到使用蒸汽作為動力嘅方法。[2]當時嘅紐科門蒸汽機已經喺礦井度用嚟抽水差唔多有50年，但係設計上幾乎冇咩改變。雖然瓦特從未見過一部運作緊嘅蒸汽機，但係佢開始進行蒸汽實驗。佢試過製作一個模型，但係效果唔好，不過佢仍然堅持實驗同研究呢個領域，並且閱讀有關蒸汽機嘅所有資料。佢開始明白潛熱嘅重要性，潛熱係指喺恆溫過程中釋放或者吸收嘅熱能，呢個概念係佢嘅朋友祖些夫布拉克喺幾年前發現嘅。當時對於蒸汽機嘅理解仍然非常初級，因為熱力學嘅科學知識直到將近100年後先正式建立起來。[2]
1763年，有人要求瓦特修理一部屬於大學嘅紐科門蒸汽機。[2]即使修理完，呢部蒸汽機仍然效果唔理想。經過多次實驗，瓦特發現每個循環中大約有四分之三嘅蒸汽熱能被用嚟加熱汽缸，而呢個過程係浪費熱能嘅。因為喺循環後期，會注入冷水去凝結蒸汽，從而降低壓力。所以，汽缸會反覆加熱同埋冷卻，導致大部分熱能浪費，而唔係轉化為機械能。[2]
瓦特喺1765年5月喺格拉斯哥綠地公園（Glasgow Green Park）度，有個關鍵嘅領悟。[2]佢於是設計咗獨立冷凝器同閥門裝置[34]，避免咗浪費能量，大大提升蒸汽機嘅功率、效率同埋成本效益。之後，佢再將蒸汽機改進，令佢可以產生旋轉運動，大大擴展咗蒸汽機嘅應用範圍，唔止可以用嚟抽水，[35]重可以用喺各種工業機械，甚至火車、輪船都可以有足夠嘅動力驅動。[34]
瓦特嘗試將佢嘅發明商業化，但係唔成功，重一度面臨經濟困難，直到1775年同馬修·保頓（Matthew Boulton）組成合夥公司－Boulton and Watt。呢間新公司最後非常成功，令瓦特成為有錢佬。[35]
榮譽
[編輯]瓦特改良嘅蒸汽機大大推動咗工業革命，為咗紀念佢嘅偉大貢獻，功率單位「瓦特」就係用佢嚟命名。[35]
2011年，英倫銀行發行嘅新50鎊銀紙就印咗瓦特同保頓嘅頭象同佢哋嘅金句。[35]
註腳
[編輯]- ↑ 康有為《瑞典遊記》
- ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 James Watt | Biography, Inventions, Steam Engine, Significance, & Facts | Britannica（英文）
- ↑ Miller, D. P. (2004). "True Myths: James Watt's Kettle, His Condenser, and His Chemistry". 《科學史》. 42 (3): 333–360 [p. 334]. Bibcode:2004HisSc..42..333M. doi:10.1177/007327530404200304. S2CID 161722497.
- ↑ Musson, A. E.; Robinson, Eric (1969). Science and Technology in the Industrial Revolution. Manchester University Press. p. 80.
- ↑ 5.0 5.1 Muirhead, James Patrick (1858). The life of James Watt: with selections from his correspondence. J. Murray. pp. 74–83. 喺17 August 2011搵到.
- ↑ 6.0 6.1 Frazer, Persifor (1859). Journal of the Franklin Institute. pp. 296–297. 喺17 August 2011搵到.
- ↑ Dickinson, p. 36.
- ↑ "OS 25-inch 1892–1949". National Library of Scotland. Ordnance Survey. 喺26 October 2017搵到.
- ↑ Salmon, Thomas James (1913). Borrowstounness and district, being historical sketches of Kinneil, Carriden, and Bo'ness, c. 1550–1850. Edinburgh: William Hodge and Co. pp. 372–376. 喺9 December 2017搵到.
- ↑ "James Watt's Cottage", CANMORE. Royal Commission on the Ancient and Historical Monuments of Scotland. Retrieved 13 May 2010.
- ↑ Hills, vol. I, pp. 180–293.
- ↑ Brown, Richard (1991). Society and Economy in Modern Britain 1700–1850. London: Routledge. p. 60. ISBN 978-0-203-40252-8.
- ↑ Hills，第3冊，第5同6章。
- ↑ Roll，第158頁。
- ↑ Hills，第2冊，第190-211頁。
- ↑ W. B. Proudfoot，《模版複印嘅起源》，第21頁，引用自Quaritch.com，2013年10月12日。
- ↑ Hills，第3冊，第116頁。
- ↑ Hills，第3冊，第4章。
- ↑ Hills，第3冊，第152-158頁。
- ↑ Carnegie, Andrew (1905). "10". James Watt. Doubleday, Page and Company. 原著喺8 July 2009歸檔.
- ↑ Carnegie，第XI章：《瓦特嘅為人》。
- ↑ Hills，第1冊，第42-43頁。
- ↑ Laidler, Keith J. (1993). To Light such a Candle. Oxford University Press. p. 18.
- ↑ Smiles, Samuel (1865). Lives of Boulton and Watt: A History of the Invention and Introduction of the Steam Engine. London: John Murray. p. 286.
- ↑ Roll，第20頁
- ↑ Roll，第280頁。
- ↑ Dickinson，第VII章。
- ↑ Hills，第3冊，第234-237頁。
- ↑ Hills，第3冊，第230-231頁
- ↑ Robert Chambers嘅《歲時書》。
- ↑ 〈死訊〉。Wooler's British Gazette。1819年8月29日。頁 8。喺2024年9月18日搵到 –透過British Newspaper Archive。
- ↑ 〈過身〉。The National Register。1819年8月30日。頁 8。喺2024年9月18日搵到 –透過British Newspaper Archive。
- ↑ 〈FreeREG資料庫：漢茲沃斯聖瑪麗教堂，1819年9月2日葬禮：詹姆斯·瓦特先生，希斯菲爾德居民，享年83歲〉。FreeREG。Free UK Genealogy。喺2024年9月18日搵到。
- ↑ 34.0 34.1 《影響人類文明發展的100位科學家》 作者：羅堇文
- ↑ 35.0 35.1 35.2 35.3 James Watt - Wikipedia（英文）
睇多啲
[編輯]- [Watt Biography](https://www.egr.msu.edu/~lira/supp/steam/wattbio.html)
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