Tóm tắt trong năm phút
James Watt (1736–1819) là thợ chế tạo dụng cụ và kỹ sư người Scotland. Ông không phát minh ra máy hơi nước. Ông làm cho nó trở nên hiệu quả. Trước thời Watt, máy hơi nước dùng để bơm nước ra khỏi hầm mỏ, nhưng chúng đốt nhiều than đến mức chỉ nơi có than rẻ mới đủ khả năng dùng. Bộ ngưng tụ riêng của Watt giảm mạnh lượng nhiên liệu tiêu hao, còn những phát minh sau đó biến chiếc máy bơm chỉ lên xuống đơn giản thành cỗ máy có thể quay một trục. Thay đổi này giúp công nghiệp rời khỏi các dòng sông và sức ngựa để tiến vào thành thị. Nó nằm ở trung tâm của Cách mạng Công nghiệp.
Câu trả lời ngắn gọn cho câu hỏi "James Watt phát minh ra gì?" là: bộ ngưng tụ riêng (1765), hệ bánh răng giúp động cơ quay bánh xe (bánh răng mặt trời và hành tinh, 1781), máy tác động kép (1782), cơ cấu thanh nối gọi là chuyển động song song (1784) và bộ điều tốc giữ tốc độ ổn định (khoảng năm 1788). Ông cũng phổ biến khái niệm mã lực, và đơn vị công suất watt được đặt theo tên ông.
Một thợ chế tạo dụng cụ người Scotland
Watt sinh ra ở Greenock, bên vịnh Firth of Clyde, vào tháng 1 năm 1736. Cha ông làm trong ngành đóng tàu, buôn bán và công việc chính quyền địa phương. Thuở nhỏ James thường ốm yếu và học được rất nhiều ở nhà, trong một xưởng đầy dụng cụ và mô hình. Khi còn trẻ, ông dành khoảng một năm ở London học làm dụng cụ khoa học rồi trở về Scotland.
Năm 1757, Đại học Glasgow cho ông một xưởng trong khuôn viên trường. Tại đây ông chế tạo và sửa chữa các dụng cụ toán học cho các giáo sư, đồng thời gặp những người nghiên cứu về nhiệt, trong đó có nhà hóa học Joseph Black. Sự kết hợp giữa tay nghề thủ công và óc tò mò khoa học đã làm Watt trở nên khác biệt. Ông vừa có thể suy nghĩ vì sao một cỗ máy lãng phí năng lượng, vừa có thể làm ra bộ phận khắc phục điều đó.
Vấn đề của máy Newcomen
Máy hơi nước đã có từ trước. Thomas Savery được cấp bằng sáng chế cho một máy bơm hơi nước năm 1698, và năm 1712 máy của Thomas Newcomen bắt đầu bơm nước ở một mỏ than gần Lâu đài Dudley. Thiết kế của Newcomen hoạt động như sau: hơi nước làm đầy xi lanh bên dưới piston, sau đó một tia nước lạnh làm hơi ngưng tụ ngay trong xi lanh đó. Chân không tạo ra khiến sức nặng của không khí đẩy piston xuống, và một đòn bẩy lớn nâng cần bơm lên.
Thiết kế này có một khiếm khuyết cố hữu. Mỗi nhịp, xi lanh bị hơi nước làm nóng rồi lại bị nước làm nguội, nên phần lớn nhiệt của than bị dùng để làm nóng lại lớp kim loại hết lần này đến lần khác. Máy Newcomen hữu ích ở các mỏ than, nơi than vụn chất lượng thấp gần như không tốn tiền. Ở nơi khác, hóa đơn tiền than quá cao.
Bộ ngưng tụ riêng (1765)
Năm 1763–64, Watt được nhờ sửa một mô hình nhỏ của máy Newcomen dùng để giảng dạy. Ông thấy nó nuốt lượng hơi nước khổng lồ mà chỉ làm được rất ít việc. Sau nhiều tháng thí nghiệm về cách hơi nước vận hành, ông đạt đến ý tưởng then chốt vào năm 1765: giữ xi lanh nóng liên tục và cho hơi ngưng tụ trong một bình khác luôn lạnh. Một van nối hai bình với nhau. Về sau Watt kể lại rằng ý tưởng đến với ông trong lúc đi dạo qua Glasgow Green.
Nguyên lý cơ bản của máy không đổi, nhưng sự lãng phí gần như biến mất. Watt cũng đóng kín phần trên xi lanh và bọc quanh nó một lớp áo hơi, nhờ vậy xi lanh luôn nóng và áp suất hơi có thể giúp đẩy piston. Ông được cấp bằng sáng chế năm 1769 với tên gọi "Phương pháp mới để giảm tiêu hao hơi nước và nhiên liệu trong các máy lửa". Ở nhiều nơi lắp đặt, máy Watt dùng khoảng một phần tư lượng than mà máy Newcomen cần cho cùng một công việc.
Biến một ý tưởng thông minh thành chiếc máy chạy được khó hơn việc nghĩ ra nó. Nhà tài trợ đầu tiên, chủ xưởng sắt John Roebuck, trả tiền cho các lần chạy thử ở Scotland, nhưng thợ kim khí thời đó không thể làm một xi lanh lớn đủ tròn để giữ hơi. Roebuck phá sản năm 1773, còn Watt, người đã làm khảo sát viên và kỹ sư kênh đào để kiếm sống, suýt bỏ cuộc.
Matthew Boulton và quan hệ đối tác Soho
Sự cứu giúp đến từ Birmingham. Nhà sản xuất Matthew Boulton tiếp quản phần của Roebuck năm 1775, và cùng năm đó Quốc hội gia hạn bằng sáng chế của Watt đến năm 1800. Điều này cho hai đối tác thêm 25 năm để chế tạo và bán máy mà không có đối thủ. Boulton có tiền, các mối quan hệ và một nhà máy lớn, Soho Manufactory. Watt có thiết kế.
Mảnh ghép còn thiếu là độ chính xác. Chủ xưởng sắt John Wilkinson đã phát triển cách khoan nòng đại bác chính xác, và chính loại máy đó có thể khoan xi lanh cho động cơ. Năm 1776, những chiếc máy thương mại đầu tiên của Boulton và Watt bắt đầu làm việc: một chiếc bơm nước tại mỏ than Bloomfield ở Staffordshire, một chiếc khác thổi gió vào lò của xưởng sắt Wilkinson. Boulton và Watt sau đó bán máy theo một cách khôn khéo. Họ thu phí bản quyền bằng khoảng một phần ba lượng than khách hàng tiết kiệm được so với máy Newcomen, nên khách chỉ phải trả khi có lợi.
Làm cho máy quay: từ máy bơm thành động cơ nhà máy
Những chiếc máy Watt đầu tiên vẫn chỉ là máy bơm. Xưởng xay và nhà máy cần một trục quay. Tay quay có vẻ là lời giải hiển nhiên, nhưng đối thủ James Pickard đã lấy bằng sáng chế cho nó năm 1780, nên Watt thiết kế một cơ cấu khác. Bánh răng mặt trời và hành tinh của ông (bằng sáng chế 1781) dùng hai bánh răng để biến chuyển động đung đưa của đòn bẩy thành chuyển động quay.
Tiếp đó là một loạt cải tiến. Năm 1782 Watt được cấp bằng sáng chế cho máy tác động kép, trong đó hơi nước đẩy piston theo cả hai chiều, nên máy có hai nhịp sinh công trong mỗi chu kỳ. Năm 1784 ông được cấp bằng sáng chế cho chuyển động song song, một bộ thanh nối cho phép cần piston chuyển động gần như thẳng dù gắn với đòn bẩy đang đung đưa. Khoảng năm 1788 ông lắp bộ điều tốc ly tâm, một cặp quả nặng quay để mở hoặc đóng van hơi nhằm giữ tốc độ đều. Một động cơ quay ổn định có thể dẫn động máy kéo sợi, cối xay bột, xưởng sắt và nhà máy bia. Từ đó nhà máy có thể được xây ở nơi có công nhân và thị trường, chứ không chỉ cạnh những dòng sông chảy xiết.
Mã lực và đơn vị watt
Nhiều khách hàng đầu tiên của Watt sở hữu những con ngựa kéo bánh xe cối xay, nên ông cần cách nói một chiếc máy làm được bao nhiêu việc theo cách họ hiểu. Ông ước tính một con ngựa cối xay khỏe có thể sinh công khoảng 33.000 foot-pound mỗi phút, và gọi đó là một mã lực. Theo đơn vị ngày nay, một mã lực Anh xấp xỉ 746 watt.
Bản thân đơn vị watt ra đời muộn hơn. Vào thập niên 1880, các nhà khoa học ở Anh đề nghị lấy tên ông đặt cho đơn vị công suất, và sau đó nó được đưa vào hệ đo lường quốc tế (SI). Một watt bằng một joule năng lượng mỗi giây. Vì thế bóng đèn và ấm đun nước được ghi công suất bằng watt.
Những hiểu lầm thường gặp về James Watt
- Ông không phát minh ra máy hơi nước. Savery, Newcomen và những người khác có trước. Watt làm cho máy hiệu quả và dễ thích ứng.
- Ông không phát hiện ra điện. Cụm từ tìm kiếm "đóng góp của James Watt cho điện" khá phổ biến, nhưng mối liên hệ của ông với điện chỉ là đơn vị mang tên ông. Các nhà máy điện ra đời sau khi ông mất.
- Chuyện cái ấm là truyền thuyết. Câu chuyện cậu bé nhìn nắp ấm nhấc lên không phải sự thật có tài liệu ghi lại. Bước đột phá thật sự của ông đến từ các thí nghiệm về nhiệt.
- Ông không ưa áp suất cao. Watt nghi ngại hơi nước áp suất cao vì nguy hiểm. Sau khi bằng sáng chế của ông hết hạn năm 1800, các kỹ sư như Richard Trevithick và Oliver Evans chế tạo những động cơ áp suất cao nhỏ hơn, điều làm cho đầu máy hơi nước trở nên khả thi.
Vì sao Watt quan trọng, và những lời phê bình
Máy của Watt đem đến cho công nghiệp một nguồn năng lượng không phụ thuộc vào thời tiết, sông ngòi hay sức người. Chúng giúp hầm mỏ đào sâu hơn, giúp xưởng sắt phát triển và cho phép các nhà máy bông dời vào thành thị. Watt trở thành Ủy viên Hội Hoàng gia năm 1785 và nghỉ hưu năm 1800. Ông mất ngày 25 tháng 8 năm 1819 tại nhà ở Heathfield, gần Birmingham.
Các sử gia cũng chỉ ra mặt trái. Boulton và Watt bảo vệ bằng sáng chế rất quyết liệt, và một số kỹ sư cho rằng điều này làm chậm tiến bộ. Ở Cornwall và nhiều nơi khác, các đối thủ thiết kế máy mới ngay khi độc quyền chấm dứt. Cả hai quan điểm đều có thể đúng: bằng sáng chế giúp một phát minh đầy rủi ro tồn tại, và đồng thời cũng cầm chân những người khác suốt một phần tư thế kỷ.
Đề thi thường hỏi gì
- Gọi tên cải tiến. Bộ ngưng tụ riêng là đáp án của hầu hết câu hỏi. Hãy nhớ rằng nó tiết kiệm nhiên liệu nhờ giữ xi lanh luôn nóng.
- Đặt ông vào trình tự thời gian. Newcomen (1712) có trước Watt (bằng sáng chế 1769), và động cơ áp suất cao của Trevithick đến sau.
- Giải thích ý nghĩa. Một câu trả lời tốt theo kiểu AP liên kết nguồn năng lượng rẻ hơn từ than với nhà máy, đô thị hóa và sự trỗi dậy của hệ thống nhà máy, rồi đến thời đại đường sắt.
- Nắm rõ quan hệ đối tác. Boulton cung cấp vốn và nhà máy, Watt thiết kế, còn Wilkinson làm các xi lanh chính xác.
Đọc tiếp
- Máy hơi nước: Ai phát minh và nó hoạt động ra sao: câu chuyện đầy đủ từ Savery và Newcomen đến cỗ máy mà Watt chế tạo lại.
- George Stephenson và những đầu máy hơi nước đầu tiên: hơi nước áp suất cao đưa động cơ lên đường ray sau khi bằng sáng chế của Watt hết hạn.
- Máy tách hạt bông của Eli Whitney: một phát minh khác làm thay đổi ngành bông mà máy của Watt về sau cung cấp năng lượng.
