James Watt

Narodil sa 19. Januára 1736 v neveľkej lokalite Greenock on Clyde v západnom Škótsku, v rodine tesára. Od malička mal vzťah k majstrovaniu, ku ktorému prišiel v otcovej lodiarskej dielny s veľkým počtom rôznych nástrojov. V škole ho zaujímala fyzika a matematika, v ostatných predmetoch neveľmi prospieval. Túžil po vyššom školskom vzdelaní, ale rodina si to nemohla dovoliť. Po dlhých úvahách sa rozhodol vyučiť jemnej mechanike, povolaniu, ktoré ho vzhľadom na jeho chatrné telesné zdravie nevyčerpávalo. V roku 1754 sa začal v Glassgowe učiť za optika a mechanika, toto učilište však nezodpovedalo jeho talentu a tak po roku učenia odišiel k výrobcovi matematických prístrojov Morganovi do Londýna.

Dopravil sa tam konským záprahom za dvanásť dní – je to cesta, ktorá dnes vlakom trvá sedem hodín. Tam sa naučil mnoho vecí, a čoskoro vynikol prednosťou a dôkladnosťou vo všetkých mu zverených prácach. Ako dvadsaťjedenročný, v júni roku 1757 sa James vrátil domov a hneď v tomto roku získal miesto univerzitného mechanika v Glassgowe. Uplatnil sa na univerzite ako konštruktér matematických prístrojov (Mathematical-instrument-maker), kde mal k dispozícii vlastnú dieľňu. Našiel tu dobre vybavený fyzikálny kabinet a popri práci aj podmienky pre ďalšie štúdium, fyzikálne a chemické pokusy. Myšlienkou na parný stroj sa Watt začal zaoberať po dvojročnom pobyte na univerzite, zatiaľ však bezvýsledne. Keď mu roku 1763 zverili opravu modelu Neuromenovho parného prístroja nazývaného aj „ohňový stroj“. Nielenže ho opravil, ale pokúsil sa ho aj vylepšiť. Od toho momentu mu myšlienka skonštruovať racionálne fungujúci parný stroj nedala pokoja. Všimol si, že kotlík stroja dodával paru iba na niekoľko zdvihov piesta a potom stroj musel čakať, kým sa v kotlíku vytvorila nová para. Niekoľko mesiacov intenzívne premýšľal a začiatkom roku 1765 našiel riešenie problému: paru treba zrážať nie priamo v parnom valci, ale v inej, s valcom spojenej nádobe.

Tak vynašiel Watt kondenzátor a vzápätí, keď valec uzatvoril na oboch stranách vekami, dvojčinný parný stroj. Pokusný model tohto typu, ktorý Watt skonštruoval roku 1765, sa nachádza v londýnskom Science Museum. Watt však netušil, aké obrovské ťažkosti bude treba prekonať, kým sa jeho myšlienky uskutočnia. V tej dobe bolo veľmi ťažké nájsť mechanika, ktorý dokázal pracovať presne podľa výkresu pomerne zložitého stroja a ani obrábacie stroje neboli dostatočne presné. Stavba prvých modelov wattovho parného prístroja skončila neúspechom. Watt ostal bez peňazí a v tejto situácii prijal finančnú pomoc lekára a priemyselníka (bol majiteľom oceliarne) dr. Johna Roebuc ka, ktorý však vymenil patentnú ochranu za dve tretiny zo zisku. V roku 1769 bol Wattovi konečne udelený patent na ,, nový spôsob zníženia spotreby pary a paliva v ohňových strojoch " pod číslom 913, ale stroj postavený podľa patentu opäť sklamal.

Na vine bolo nielen nedokonalé tesnenie dôležitých častí stroja, ale aj nevhodnosť použitého materiálu. Watt bol na tom existenčne tak zle, že až do roku 1773 bol nútený zarábať si ako zememerač. Kvôli finančným problémom p. Roebuc ka prišiel skoro o patent a svoj sen. Keď sa zdalo všetko stratené, stretol sa s bohatým mecenášom- rozhľadeným podnikateľom Matthew Boultonom. V jeho osobe našiel Watt opäť plnú podporu pre svoje pokusy a vynálezy a neskôr sa stal jeho spoločníkom v novej továrni na výrobu parných strojov. Roku 1774 sa presťahoval do Soho pri Birminghame a spolu s Boultonom, majiteľom veľkej huty, si založili spoločnú výrobňu. Združenými silami sa im podarilo dosiahnuť predĺženie platnosti patentu a tak mohli začať podnikať. Až v marci 1776 bolo možné dať do prevádzky obidva stroje- prvý v bani kde slúžil na odčerpávanie vody, druhý v železiarni (na dúchanie mechov). Wattove stroje boli až o tri štvrtiny úspornejšie ako predošlé „stroje“. Partneri stroje nepredávali, ale požičiavali za sumu-tretina ušetrených prostriedkov. Tento parný stroj však vykazoval iba lineárny pohyb sem a tam, čo síce stačilo na pohon čerpadiel, no nie strojov, ktoré absentovali vo fabrikách a ešte vždy ich nahrádzala ľudská sila. Wattove riešenie na seba nedalo dlho čakať, bol to geniálny „zlepšovák“- priamočiary pohyb preniesol do planétovej prevodovky na zotrvačník. Vďaka svojej vybavenosti škrtiacov klapkov a odstredivým regulátorom bol stroj už dvojnásobne efektívny.


Čoskoro sa továreň pripravila na hromadnú výrobu. Veľký úspech neovplyvnil život skromného človeka, akým bol Watt. Ďalej sa venoval svojím vynálezom. Tak v roku 1780 vynašiel kopírovací lis, o dva roky neskôr pridal k parnému stroju zotrvačník a o ďalšie dva odstredivý regulátor. V roku 1785 skonštruoval Wattov spolupracovník Murdock posúvač na rozvod pary vo valci, a tým sa vývoj prvého upotrebiteľného parného stroja skončil.Vďaka tomu sa čoskoro továreň pripravila na hromadnú výrobu. Počas svojho plodného života vytvoril James Watt veľa ďalších vynálezov a dal podnet k zavedeniu jednotnej sústavy mier a váh. Za jeho zásluhy sa mu dostalo na sklonku života mnohých pôct. Z nich najvýznamnejšie sú: členstvo Francúzskej akadémii vied, v Kráľovskej vedeckej spoločnosti v Londýne, čestný doktorát Glassgowskej univerzity a ďalšie. Watt Watt bol 2-krát ženatý, s prvou ženou, ktorá po 10 rokoch manželstva zomrela, mal dvoch synov a dve dcéry, s druhou ženou mal dcéru a syna. Syn James viedol jeho podnik až do roku 1848.
Bol tiež vynálezcom zameriavacieho prístroja, navrhol vrtuľový pohon lodí, zdokonalil techniku organa. Tesne pred smrťou mu ponúkli povýšenie do šľachtického stavu, ale Watt odmietol. Zostal verný svojmu prostému pôvodu a tvorivej práci, ktorú miloval nadovšetko.

Zomrel 19.augusta 1819 v Heathfielde.

Vývoj parných strojov:
Keď dávny ľudia objavili oheň, našli tým spôsob, ako získať energiu, pretože pri horení sa uvoľňuje teplo a svetlo. Trvalo však dva milióny rokov, kým bol vynájdený parný stroj. Prvý parný stroj bol vynájdený v 1. storočí nášho letopočtu gréckym konštruktérom Hérom z Alexandrie(Grécky matematik, mechanik, učenec a vynálezca. Svoju teóriu zhrnul v príručkách Automaty, Mechanika, Metrika, Pneumatika). Dutú guľu pripevnil na dve trubky , ktorými do nej išla para z malého kotla. Para guľu naplnila a unikla cez rúrky po stranách. Takáto sila prúdiacej pary spôsobila, že sa guľa začala otáčať. Aj keď bol tento objav veľmi pozoruhodný, z tejto konštrukcie nevyplývala žiadna možnosť rozumného využitia. Prvý praktický parný stroj bol vynájdený v roku 1698 anglickým inžinierom Thomasom Saveryom. Para bola prudko ochladzovaná v uzavretej komore, kým neskondenzovala na malé množstvo vody. Veľký úbytok objemu tak vytváral podtlak, ktorý bol využívaný k odsávaniu vody z uhoľných dolov. V parnom stroji, ktorý zostrojil Angličan Thomas Newcomen okolo roku 1710, vytlačovala para piest vo valci. Potom bol valec ochladený tak, aby para skondenzovala a piest zišiel naspäť dole. Kondenzáciou pary sa zmenšoval tlak vo valci, tak, že piest bol stlačený dole pôsobením atmosferického tlaku. Preto Newcomen predstavil svoj parný stroj ako „atmosferický“. Bol využívaný k poháňaniu dolných čerpadiel. Hoci bol tento systém podstatne výkonnejší než systém Saveryov, bol dosť pomalý a neúčinný. Bolo to tak preto, lebo valec sa po ochladení musel znovu rozohriať, aby vzniklo dostatočné množstvo pary, ktorá by piest znovu vytlačila. Ináč by totiž skondenzovala okamžite.

Zmienený problém vyriešil škótsky inžinier James Watt. V jeho motore vynájdenom v roku 1769 bola para prepúšťaná ku kondenzácii do samotnej komory. Tým, že valec nebol striedavo zohrievaný a ochladzovaný, tepelné straty boli relatívne malé. Wattov motor bol tiež rýchlejší, pretože do valca bolo možné púšťať viac pary hneď, akonáhle sa piest vrátil do svojej pôvodnej polohy. Toto a mnohé ďalšie zlepšenia umožnili, že Wattove motory mali širokú možnosť využitia.

Princíp práce parného stroja z fyzikálneho hľadiska:
Najstarším tepelným motorom schopným konať prácu je parný stroj. Bol príčinou významných hospodárskych a spoločenských zmien. Úsilie o zvýšenie účinnosti parného stroja a neskôr aj ďalších tepelných motorov viedlo k štúdiu dejov, pri ktorých plyn alebo para konajú prácu. Z týchto dejov má pre technickú a vedeckú prax veľký význam kruhový (cyklický) dej.
Plyn uzavretý v nádobe s pohyblivým piestom pôsobí na piest tlakovou silou F a pri zväčšovaní objemu koná prácu.
Predpokladajme najskôr, že plyn koná prácu, pričom jeho tlak p je stály; prebieha teda izobarický dej. Tlaková sila s veľkosťou F = p.S pôsobiaca na piest s obsahom S je v tomto prípade stála. Pri posunutí piesta o dĺžku s vykoná prácu W`= F s = p.S s alebo W`= p V , kde V je zmena objemu plynu. Práca vykonaná plynom pri izobarickom deji sa rovná súčtu tlaku plynu a prírastku jeho objemu.

Prácu plynu možno znázorniť v p,V diagrame, ktorý vyjadruje tlak plynu ako funkciu jeho objemu.
Zo vzťahu W` = p. V vyplýva, že práca konaná pri izobarickom deji, pri ktorom plyn prejde zo stavu A do stavu B, je znázornená obsahom obdĺžnika, ktorý leží v p,V diagrame pod izobarou AB. Preto sa tejto diagram volá pracovný diagram.
V predchádzajúcom prípade sme predpokladali, že plyn koná prácu pri stálom tlaku. Keď je tlak plynu premenný, nie je tlaková sila pôsobiaca na piest stála. Predpokladajme však, že objem plynu sa postupne zväčšuje zo začiatočného objemu V1, o také malé prírastky objemu (delta)V, že tlak plynu p1,p2,p3...pn, pri každej z týchto zmien možno považovať za stály. Keďže dej, pri ktorom sa zväčší objem plynu o veľmi malý prírastok objemu V, možno považovať zo izobarický, kde je práca vykonaná pri každom z týchto elementárnych dejov určená vzťahom W`= p V. Celková práca W` vykonaná plynom pri zväčšení objemu zo začiatočnej hodnoty V1 na konečnú hodnotu objemu V2 sa potom rovná súčtu W`= p1 V + p2 V +...+ pn. V
Prácu pri premennom tlaku možno tiež znázorniť v p,V diagrame. Práca vykonaná pri zväčšení jeho objemu je znázornená obsahom plochy, ktorá leží pod príslušným úsekom krivky p = f(V).

Práca, ktorú môže vykonať plyn uzavretý vo valci s pohyblivým piestom pri zväčšovaní objemu, má ohraničenú veľkosť, lebo objem plynu sa nemôže ustavične zväčšovať.

Tepelný stroj môže trvalo pracovať iba vtedy, ak sa plyn vždy po ukončení expanzie vráti do pôvodného stavu.
Kruhový (cyklický) dej = dej, pri ktorom je konečný stav sústavy totožný so začiatočným stavom.
Grafom, ktorý vyjadruje tlak p plynu ako funkciu jeho objemu V pri kruhovom deji, je teda vždy uzavretá krivka.
Keďže pri kruhovom deji je začiatočný stav látky totožný s konečným stavom, celková zmena vnútornej energie pracovnej látky je po ukončení jedného cyklu nulová ( U=0J). Teleso, od ktorého pracovná látka príjme počas jedného cyklu teplo Q1, nazýva sa ohrievač; teleso, ktorému látka odovzdáva teplo Q2, nazýva sa chladič.
Celková práca W`, ktorú vykoná pracovná látka počas jedného cyklu kruhového deja, rovná sa celkovému teplo Q = Q1- Q2, ktoré príjme počas toho cyklu od okolia.
Pri kruhovom deji sme sa dozvedeli, že z tepla Q1, ktoré odoberieme ohrievaču, sa iba časť tepla využije na vykonanie práce W`, zvyšná časť (teplo Q2) odovzdá plyn chladiču. Účinnosť ľubovoľného kruhového deja sa vyjadruje vzťahom



Druhý termodynamický zákon: Nemožno zostrojiť periodicky pracujúci tepelný stroj, ktorý by teplo od istého telesa (ohrievača) iba prijímal a vykonával rovnako veľkú prácu.
Stroj ktorý by takto pracoval, volá sa perpetuum mobile druhého druhu. Tento stroj by mal veľký praktický význam, lebo by mohol trvalo konať prácu iba ochladzovaním jediného telesa. Podľa druhého termodynamického zákona však taký stroj nie je možný.

Zo skúseností vieme, že pri tepelnej výmene teleso s vyššou teplotou nemôže samovoľne prijímať teplo od telesa s nižšou teplotou.

Tepelné motory
Tepelné motory sú stroje, ktoré premieňajú časť vnútornej energie paliva uvoľneného horením na mechanickú energiu. Rozdeľujeme ich na parné motory(parný stroj, parná turbína) a spaľovacie motory (plynová turbína, zážihový motor, vznetový motor, prúdový a raketový motor). V parných motoroch je pracovnou látkou vodná para, ktorá sa získava v parnom kotly mimo motora.

V spaľovacích motoroch je pracovnou látkou plyn vznikajúci horením paliva vnútri motora.
Roku 1824 francúzsky inžinier S.Carnot (karno) dokázal, že pre účinnosť tepelného motora, ktorý pracuje s ohrievačom teploty T1 a chladičom teploty T2 platí
T1 - T2 = T2

Míľniky života :
Najvýznamnejšie wattove zdokonalenia
oddelený kondenzátor pary (1765)
dvojčinný parný stroj (1769)
planétové súkolesie k prevodu pohybu
piesta na pohyb točivý (1781)
zavedenie zotrvačníka (1769)
odstredivý regulátor, paralelné
vedenie piestnice na vyrovnanie síl
pôsobiacich na pohyblivé časti (1784)

Úspechom a česťoubolo pomenovanie fyzikálnej jednotky!
Watt je jednotka výkonu.

1 Watt [W] je výkon, pri ktorom sa koná práca jedného
joulu [J] za jednu sekundu [s].


Princíp a ďalší rozvoj:
Vo viktoriánskej dobe spôsobili výkonné parné lokomotívy revolúciu v suchozemskom cestovaní. Parné motory taktiež poháňali stroje na tlač novín, na pradenie a tkanie látok, aj pračky v „parných práčovniach“. Parné stroje poháňali lunaparky, niektorí farmári používali parnú energiu pri oraní pôdy.

Horením paliva v parnom stroji vzniká teplo, ktoré premieňa vodu na vodnú paru. Pomocou vstupných ventilov je potom touto parou plnený parný valec. Nasleduje expanzia pary - para hýbe piestom a zároveň klesá jej tlak a teplota. Tým nastane premena tepelnej energie vodnej pary na mechanickú prácu pary. Potom nasleduje tzv. výfuk pary otvorením výstupných ventilov na druhej strane valca. Po vstupe pary zo vstupných ventilov a spätnom pohybe piestu sa para vytlačuje, časť sa však vo valci ponecháva a opäť sa stláča (kompresia), aby sa steny valca pred plnením čerstvou parou opäť ohriali. Vstup a výstup pary z valca parného stroja sa riadi rozvodom.
Pomocou ojnice a kľukového hriadeľa je potom vzniknutá energia prevádzaná ku kolom. Časť energie sa teda spotrebuje na pohon týchto súčastí.

Omnoho efektívnejšie by ale bolo, keby tlak pary mohol otáčať kolmi bezprostredne, podobne ako dopadajúca voda roztáča mlynské kolá. Problém bol však v tom, že kolá museli mať stálu vysokú rýchlosť, aby mal parný stroj dobrý výkon. Tento problém sa dlho nedarilo vyriešiť, až roku 1884 zostrojili Angličan Parsons spolu so Švédom Lavalom prvú parnú turbínu. Parná turbína
Hnací rotačný lopatkový stroj, ktorý transformuje energiu vodnej pary na kinetickú energiu obežného kola postupne v niekoľkých stupňoch,, a to prostredníctvom lopatiek umiestených na rotujúcom hriadeli a obtekaných vodnou parou. Podľa využitia výstupnej pary sú parné turbíny kondenzačné, protitlakové alebo odberové. Podľa náväznosti na poháňací stroj zasa priamo spojené alebo s prevodom. Parná turbína môže byť menšia, ľahšia a lacnejšia ako klasický parný stroj pri porovnateľnom výkone.

Parná lokomotíva
Parná lokomotíva je najstaršie hnacie vozidlo. Keď v roku 1814 George Stephenson zostrojil prvú využiteľnú lokomotívu, stala sa náhradou „konských železníc“. Dosiahla vtedy obdivuhodnú rýchlosť 45km/h. Tepelnú energiu z uhlia však využijú lokomotívy len na cca 7 až 8%, preto sa istý čas pokusne vyrábali lokomotívy s kondenzačnou turbínou. Tepelná účinnosť stúpla na 15%, no náklady boli obrovské a tak sa od výroby upustilo. V súčasnosti už sa využívajú motorové a elektrické ťažné vozidlá a para slúži len na vykurovanie vlakovej súpravy.

Parník

Loď, poháňaná parným motorom, v súčasnosti parnou turbínou s prevodovým prístrojom, ktorá poháňa lodnú vrtuľu. Para sa
vyrába v parných kotloch. Charlotte Dundas bola pravdepodobne prvá úspešná loď s parným pohonom, ktorú od roku 1801 v Škótsku používali ako ťažný čln.

Zaujímavé, na čo všetko sa dala para použiť:

Upratovacie firmy boli vybavené parnými vysávačmi, v špičkových holičských salónoch v mestách dokonca existovali aj parou poháňané masážne kefy k masírovaniu kože na hlave. I tak sa dala efektívne využívať para. Objav J. Watta je neoceniteľným
prínosom do histórie. Bez neho by bola priemyselná revolúcia iba frázou.