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詹姆斯·瓦特

英國工程師

詹姆斯·瓦特 FRS FRSE （英語：James Watt，1736年1月19日—1819年8月25日），英國皇家學會院士，愛丁堡皇家學會院士，是蘇格蘭著名的發明家和機械工程師。他改良了紐科門蒸汽機，奠定了工業革命的重要基礎，是工業革命時的重要人物。 他發展出馬力的概念[2]以及以他名字命名的功率的國際標準單位——瓦特。

詹姆斯·瓦特
James Watt
詹姆斯·瓦特像（1736–1819）
卡爾·弗雷德里克·馮·布雷達（英語：Carl Frederik von Breda）作
出生(1736-01-19)1736年1月19日
 大英帝國倫弗魯郡格里諾克
逝世1819年8月25日(1819歲—08—25)（83歲）[1]
 大英帝國英格蘭伯明翰漢斯沃斯
國籍 大英帝國
知名於瓦特蒸汽機
分離式冷凝器
平行運動（英語：Parallel motion）
日星齒輪（英語：Sun and planet gear）（與威廉·默多克）
離心式調速器
示功圖（英語：Pressure volume diagram）（與約翰·紹森）
科學生涯
研究領域機械工程師
機構格拉斯哥大學
博爾頓與瓦特（英語：Boulton and Watt）
簽名

生平

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早期

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瓦特在1736年1月19日生於蘇格蘭格拉斯哥附近克萊德灣上的港口小鎮格林諾克。[3]瓦特的父親是熟練的造船工人並擁有自己的船隻與造船作坊，還是小鎮的官員。[4]瓦特的母親Agnes Muirhead出身於一個貴族家庭並受過良好的教育。他們都屬於基督教長老會並且是堅定的誓約派。[5]儘管瓦特出自於宗教家庭，但他後來還是成為了自然神論者。[6][7]

瓦特小時候因為身體較弱去學校的時間不多，主要的教育都是由母親在家裡進行。[8]瓦特從小就表現出了精巧的動手能力以及數學上的天分，並且接受了很多蘇格蘭民間傳說與故事。

瓦特17歲的時候，母親去世了，而父親的生意開始走下坡路。瓦特到倫敦的一家儀表修理廠作了一年的徒工，然後回到蘇格蘭格拉斯哥打算開一家自己的修理店。儘管當時蘇格蘭還沒有類似的修理店，但是由於他沒有做夠要求的7年徒工，他的開店申請還是被格拉斯哥的錘業者行會（管理所有使用錘子的工匠）拒絕了。[9]

1757年，格拉斯哥大學的教授提供給瓦特一個機會，讓他在大學裡開設了一間小修理店，這幫助瓦特走出了困境。[10]其中的一位教授，物理學家與化學家約瑟夫·布萊克更是成了瓦特的朋友與導師。[11]

1767年，瓦特與表親瑪格麗特·米勒（Margaret Miller）結婚，此後他們共養育了5個孩子，其中有2個活到了成年。

蒸汽機

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瓦特的小店開業4年後，他對蒸汽機產生興趣，在朋友羅賓遜教授的引導下，瓦特開始了對蒸汽機的實驗。[12]直到此時，瓦特也還從未親眼見過一台可以運轉的蒸汽機，但是他開始建造自己的蒸汽機模型。初步的實驗失敗了，但是他堅持繼續實驗並且閱讀了所有他能找到的有關蒸汽機的材料，獨立地發現了潛熱的重要性（儘管這在好幾年前就被布萊克教授發現了，但瓦特當時並不知情）。

1763年，瓦特得知格拉斯哥大學有一台紐科門蒸汽機（Newcomen steam engine），但是正在倫敦修理，他請求學校取回了這台蒸汽機並親自進行了修理。[12]修理後這台蒸汽機勉強可以工作，但是效率很低。經過大量實驗，瓦特發現效率低的原因是由於活塞每推動一次，氣缸裡的蒸汽都要先冷凝，然後再加熱進行下一次推動，從而使得蒸汽80%的熱量都耗費在維持氣缸的溫度上面。[13]1765年，瓦特取得了關鍵性的進展[14]，他想到將冷凝器與氣缸分離開來，使得氣缸溫度可以持續維持在注入的蒸汽的溫度，並在此基礎上很快建造了一個可以運轉的模型。[13]

但是要想建造一台實際的蒸汽機還有很長的路要走。首先是資金，布萊克教授提供了一些幫助，但更多的資助來自於約翰·羅巴克。羅巴克是一位成功的企業家，著名的卡倫鋼鐵廠（英語：Carron Iron Works）的擁有者，在羅巴克的贊助下，瓦特開始了新式蒸汽機的試製，並成為新公司的合伙人。試製中的主要困難還在於活塞與氣缸的加工製造工藝上。當時的工藝水平下鋼鐵工人更像是鐵匠而不是機械師，所以製造的結果很不滿意。此外由於當時的相關專利申請需要國會的認可，大部分的資金都花費在相關程序上。由於資金的短缺，瓦特不得不另找了一份運河測量員的工作，並一幹就是8年。[15]這之後，羅巴克破產，相關專利都由伯明翰一間鑄造廠老闆馬修·博爾頓接手。瓦特與博爾頓從此開始了他們之間長達25年的成功合作。

與博爾頓的合作，使得瓦特得到了更好的設備資金以及技術上的支持，特別是在加工製造工藝方面。新型蒸汽機製造的一個主要困難在於活塞與大型氣缸的密合，這個問題最終被約翰·威爾金森（John Wilkinson）解決，他在改進加農炮的製造時提出了一種新的精密鏜孔加工技術，可以用於蒸汽機的製造。終於在1776年，第一批新型蒸汽機製造成功並應用於實際生產。這批蒸汽機由於還只能提供往復直線運動而主要應用於抽水泵上。在之後的5年中，瓦特贏得了大量的訂單並忙於奔波於各個礦場之間安裝由這種新型蒸汽機帶動的水泵。

在博爾頓的要求下，瓦特開始繼續研究如何將蒸汽機的直線往復運動轉化為圓周運動，以便使得蒸汽機能為絕大多數機器提供動力。一個顯而易見的解決辦法是通過曲柄傳動，但是該項專利所有人，約翰·斯蒂德（John Steed）要求同時分享瓦特此前的分離冷凝器的專利，這一要求被瓦特堅決地拒絕了。1781年，瓦特公司的雇員威廉·默多克（William Murdoch）發明了一種稱為「太陽與行星」的曲柄齒輪傳動系統，並以瓦特的名義成功申請了專利。這一發明繞開了曲柄專利的限制，極大地擴展了蒸汽機的應用。

之後的6年裡，瓦特又對蒸汽機作了一系列改進並取得了一系列專利：發明了雙向氣缸，使得蒸汽能夠從兩端進出從而可以推動活塞雙向運動，而不是以前那樣只能單向推動；使用節氣閥門與離心節速器來控制氣壓與蒸汽機的運轉；發明了一種氣壓示工器來指示蒸汽狀況；發明了三連杆組保證氣缸推杆與氣泵的直線運動。由於擔心爆炸的危險以及泄露問題，瓦特的早期蒸汽機都是使用低壓蒸汽，後來才引進了高壓蒸汽。所有這些革新結合到一起，使得瓦特的新型蒸汽機的效率是過去的紐科門蒸汽機的5倍。

1794年，瓦特與博爾頓合夥組建了專門製造蒸汽機的公司。在博爾頓的成功經營下，到1824年就生產了1165台蒸汽機。瓦特與博爾頓都賺到了不少錢。

性格

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瓦特心思細膩，做事動作遲緩並且非常容易焦慮。他常常會灰心喪氣。他會將工作放到一邊，感覺好像要徹底放棄了，但他的想象力豐富，總是能想到新的改進方法，以至於很多時候都來不及一一完成。瓦特的動手能力很強，並可以完成系統的科學的測定，以量化自己的革新效果，幫助自己的理解。

瓦特是一位紳士，為其他工業革命時期的知名人士所尊重[16]。他是伯明翰工業家與科學家組織的「月光社」的重要成員，總是對新的領域表現出極大的興趣，被認為是很好的社交夥伴。[17]但他對商業經營卻基本一竅不通，特別討厭與那些有興趣使用他的蒸汽機的人討價還價或談判合同。直到他退休時，他都一直對自己的財務狀況感到不安。他的合作者與朋友都是些意氣相投的夥伴並能保持長久的友誼。

晚年

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瓦特在半退休之前也有很多其它發明，比如他發明了一種新的利用望遠鏡測距的方法，一種新的透印印刷術，對油燈進行了改進，蒸汽碾壓機以及延續至今的機械圖紙着色法。

1800年瓦特的專利與博爾頓的合作到期，他於同年退休。但他們的合作延續到下一代，馬修·博爾頓與小詹姆斯·瓦特繼續合作，同時吸收了威廉·默多克為合伙人，保證了公司的持續成功。

瓦特退休後曾與他的第二任妻子到法國與德國旅行，並且在威爾士購買了一所住宅。

1819年8月25日，83歲的瓦特於英國斯塔福德郡漢茲沃斯（Handsworth, Staffordshire）的家中去世。

爭議

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正如其它很多重大發明一樣，關於瓦特是否是一些蒸汽機相關的專利的發明者上一直有很多爭議。但對於其中最重要的分離式冷凝器，毫無爭議是由瓦特最早提出並獨自發明的。從1780年左右，瓦特開始採取措施，對一些聽說到的別人的主意預先提請專利，以保證蒸汽機的整體發明屬於自己並防止其他人介入。瓦特在1784年8月17日給博爾頓的一封信中說道：

「我對於輪盤支架的描述是我在允許的時間與場地條件下能做的最好的情況；但是它本身還有很大缺陷，我這樣做的目的只是為了防止其他人獲取類似的專利。」

有人認為瓦特不允許其雇員威廉·默多克參與其高壓蒸汽機的研製，從而推延了該項發明的產生。瓦特還與博爾頓一起壓制其他一些工程師的工作，如喬納森·霍恩布勞爾（Jonathan Hornblower）在1781年發明了另外一種蒸汽引擎，但是因被訴侵犯了瓦特的專利而失敗。

瓦特在1781年申報的「太陽與行星」曲杆齒輪聯動裝置的專利，在1784年申報的一項蒸汽機專利，都有很強的證據顯示是由其手下的工程師威廉·默多克發明。瓦特在1782年1月3日給博爾頓的一封信中提到該項發明的產生時說道：

「我試驗了一個圓周運轉的引擎模型，它是由威廉·默多克在我原有的計劃上重新提出並實現的。」

但威廉·默多克本人從未對這項專利的所有權提出過異議，他一生都工作於博爾頓與瓦特的公司，並在瓦特退休後被吸收為合伙人之一。即便在原來阻礙瓦特發明的曲柄專利於1794年過期後，瓦特的蒸汽機也一直繼續採用這項「太陽與行星」傳動技術。

據說瓦特還曾阻撓其它一些非自己專利的蒸汽機的發明與推廣，並認為用蒸汽機來推動車輛是不可能的事情。

影響

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瓦特在原有的紐科門蒸汽機基礎上發明的新式蒸汽機結構，在這之後的50年之內幾乎沒有什麼改變。瓦特蒸汽機發明的重要性是難以估量的，它被廣泛地應用在工廠成為幾乎所有機器的動力，改變了人們的工作生產方式，極大地推動了技術進步並拉開了工業革命的序幕。它使得工廠的選址不必再依賴於煤礦而可以建立在更經濟更有效的地方，也不必依賴於水能從而能常年地運轉，這進一步促進了規模化經濟的發展，大大提高了生產率的同時也使得商業投資更有效率。蒸汽機為一系列精密加工的革新提供了可能，更高的工藝保證各種機器包括蒸汽機本身的性能提高。經過不斷的努力，引入更高氣壓的蒸汽，蒸汽火車和蒸汽輪船便很快相繼問世。

 
伯明翰中心圖書館前的瓦特雕像

榮譽

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1785年瓦特被接受為英國皇家學會院士。1814年成為法國科學院8名外籍會員之一[18]。

紀念

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瓦特死後安葬於家鄉漢茲沃斯的聖瑪麗教堂後的公墓。多年後教堂擴建，使得瓦特的墓地實際上處於新教堂的內部。[19]教堂里並建有瓦特、博爾頓與默多克三人的紀念像。同時瓦特參加的『月亮學社』的紀念碑上也有瓦特與一台蒸汽機雕繪。伯明翰一所學校以瓦特的名字命名。瓦特的眾多手稿還保存在伯明翰中心圖書館裡，圖書館前至今還有瓦特的雕像。博爾頓的舊居現在是一個博物館，用以紀念他與瓦特在蒸汽機發明上的貢獻。

蘇格蘭有一些學院也以瓦特的名字命名，比如知名的「詹姆斯·瓦特學院」（James Watt College）。愛丁堡附近老牌的「赫瑞瓦特大學」，其前身就是建立於1821年的「瓦特藝術學校」（Watt Institution and School of Arts）。

在英國各地，有超過50條道路以瓦特的名字命名。在倫敦的西敏寺也建有瓦特紀念碑。

瓦特被譽為人類歷史上最著名的發明家之一。在美國作家查爾斯·穆雷的《人類成就》（Human Accomplishment）一書中，他曾經做過一個調查，在歷史上最知名的229位發明家中，瓦特與愛迪生並列第一位。在1978年邁克爾·哈特發表了一篇引發熱烈討論的作品《人類歷史最有影響力的100人》中，瓦特因為發明蒸汽機而被列在第22位。

為紀念瓦特的貢獻，國際單位制中的功率單位以瓦特命名。

參見

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參考文獻

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  1. ^ Although a number of otherwise reputable sources give his date of death as 19 August 1819, all contemporary accounts report him dying on 25 August and being buried on 2 September. The date 19 August originates from the biography The Life of James Watt (1858, p. 521) by James Patrick Muirhead. It draws its (supposed) legitimacy from the fact that Muirhead was a nephew of Watt and therefore should have been well-informed. In the Muirhead papers, 25 August date is mentioned elsewhere. The latter date is also given in contemporary newspaper reports (for example, page 3 of The Times of 28 August) as well as by an abstract of and codicil to Watt's last will. (In the pertinent burial register of St. Mary's Church (Birmingham-Handsworth) Watt's date of death is not mentioned.)
  2. ^ Lira, Carl. Biography of James Watt. egr.msu.edu. 2001 [5 July 2010]. （原始內容存檔於2018-02-24）. 
  3. ^ Thurston, Robert Henry. A history of the growth of the steam-engine. The International Scientific Series. New York: D. Appleton and Company. 1878: 80. 
  4. ^ Muirhead, James Patrick. The life of James Watt: with selections from his correspondence 2. John Murray. 1859: 10. 
  5. ^ Klooster, John W. Icons of invention: the makers of the modern world from Gutenberg to Gates. Icons of invention 1. ABC-CLIO. 2009: 30. ISBN 978-0-313-34743-6. 
  6. ^ Henry Winram Dickinson; Rhys Jenkins; Committee of the Watt Centenary Commemoration. James Watt and the steam engine: the memorial volume prepared for the Committee of the Watt centenary commemoration at Birmingham 1919. Clarendon press. 1927: 78. It is difficult to say anything as to Watt's religious belief, further than that he was a Deist. 
  7. ^ Joseph McCabe. A Biographical Dictionary of Ancient, Medieval, and Modern Freethinkers. Haldeman-Julius Publications. 1945 [17 August 2012]. （原始內容存檔於2013-03-23）. He made such improvement in the crude steam-engine that had been invented before his time that he is usually described as the inventor. "His many and most valuable inventions must always place him among the leading benefactors of mankind," says the account of him in the Dictionary of National Biography. He was an accomplished man. He knew Greek, Latin, French, German and Italian and was very friendly with the great freethinking French scientists. Andrew Carnegie has written a life of him and describes him as a deist who never went to church. 
  8. ^ Tann, Jennifer. James Watt (1736–1819). Oxford Dictionary of National Biography. Oxford, England: Oxford University Press. 2004. 
  9. ^ Thomas, Henry; Thomas, Dana Lee. Living adventures in science. Ayer Publishing. 1954: 25. 
  10. ^ Marshall (1925) Chapter 3
  11. ^ Robinson, Eric; McKie, Doublas. Partners in Science: Letters of James Watt and Joseph Black. Cambridge, Massachusetts. 1970. 
  12. ^ 12.0 12.1 Muirhead, James Patrick. The life of James Watt: with selections from his correspondence. J. Murray. 1858: 74–83 [17 August 2011]. （原始內容存檔於2016-04-28）. 
  13. ^ 13.0 13.1 Frazer, Persifor. Journal of the Franklin Institute. 1859: 296–297 [17 August 2011]. （原始內容存檔於2021-05-08）. 
  14. ^ Dickinson, p 36
  15. ^ Hills, vol I, pages 180-293
  16. ^ Carnegie, chap. XI: Watt, the Man
  17. ^ Hills, vol I, pages 42-43
  18. ^ Dickinson, p197-198
  19. ^ Kelly, E.R. The Post Office Directory of Birmingham. London: Kelly and co. 1878: 176. 

參考書目

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外部連結

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