Máy hơi nước của James Watt là một động cơ cực kỳ quan trọng, mở ra kỷ nguyên công nghiệp cho loài người. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về máy hơi nước của James Watt, lịch sử và các ứng dụng của nó trong cuộc cách mạng công nghiệp.
Máy hơi nước của James Watt là gì?
Máy hơi nước của James Watt (Giêm Oát) là một loại động cơ nhiệt sử dụng hơi nước để hoạt động. Vào năm 1769, động cơ này được phát minh bởi James Watt, một nhà phát minh và kỹ sư người Scotland.
 |
| Máy hơi nước James Watt |
Trước khi máy hơi nước của James Watt được phát minh, các loại máy hơi nước trước đó thường không hiệu quả và tốn kém trong việc vận hành. Điển hình là động cơ hơi nước đầu tiên do Thomas Newcomen chế tạo năm 1712. Nhưng với phát minh của James Watt, máy hơi nước đã có những cải tiến đáng kể, giúp tăng hiệu suất và giảm chi phí vận hành.
Nguyên lý hoạt động
Máy hơi nước của James Watt hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng cơ học. Nước được đun sôi trong nồi hơi tạo thành hơi nước. Hơi nước này được dẫn vào xi lanh, đẩy piston lên. Piston được nối với một thanh nối và bánh đà, giúp chuyển động lên xuống của piston thành chuyển động quay. Chuyển động quay này có thể được sử dụng để vận hành các thiết bị khác nhau, chẳng hạn như máy bơm, máy dệt, máy xay và tàu thủy. Sau khi xi lanh di chuyển đến đỉnh, van vào hơi nước đóng lại, van mở hơi nước được mở ra. Áp suất khí quyển bên ngoài đẩy piston xuống xi lanh, hơi nước được thoát ra ngoài. Máy hơi nước của Giêm Oát không sử dụng hơi nước áp suất cao do các vấn đề về an toàn.
Ưu điểm của Máy hơi nước Watt so với các loại máy khác
Máy hơi nước Watt đã có những ưu điểm vượt trội so với các loại máy khác, đặc biệt là trong cuộc cách mạng công nghiệp. Những ưu điểm này bao gồm:
- Tăng hiệu suất: Với sự phát minh của bộ phận ngưng tụ riêng biệt, các cải tiến khác, máy hơi nước của Watt đã có hiệu suất cao hơn rất nhiều so với các loại máy trước đó.
- Tiết kiệm chi phí: Máy hơi nước Watt tiết kiệm được chi phí vận hành nhờ vào việc sử dụng than đốt thay vì gỗ và giảm thiểu sự thất thoát năng lượng.
- Tính linh hoạt: Máy hơi nước Watt có thể được sử dụng để vận hành nhiều loại máy khác nhau, từ máy bơm, máy xay, đến tàu thủy và đường sắt.
Những cải tiến máy hơi nước của James Watt
Máy hơi nước của James Watt đã có hai cải tiến chính so với các loại máy hơi nước trước đó:
Bộ phận ngưng tụ riêng biệt của máy hơi nước Watt của James Watt
Các loại máy hơi nước trước đó sử dụng cùng một xi lanh để đốt nóng nước và ngưng tụ hơi nước. Điều này làm giảm hiệu suất của máy vì một phần năng lượng nhiệt bị thất thoát khi hơi nước ngưng tụ. Khi bình ngưng tụ và xi lanh hoạt động tách biệt, khi hơi nước ngưng tụ, nhiệt lượng không bị thất thoát. Điều này đã giúp tăng hiệu suất của máy hơn 75%.
Buồng hơi nước có kích thước lớn hơn của máy hơi nước Watt của James Watt
Các loại máy hơi nước trước đó sử dụng buồng hơi nước có kích thước nhỏ, điều này giới hạn khả năng sản xuất hơi nước, giới hạn hiệu suất của máy. Nhưng máy hơi nước Watt của James Watt có buồng hơi nước có kích thước lớn hơn, cho phép sản xuất hơi nước nhiều hơn và tăng hiệu suất của máy.
Các cải tiến khác
Sau đó, Watts đã tiến hành cải tiến thiết kế máy hơi nước bằng cách niêm phong đầu xi lanh và bao quanh bằng một lớp áo. Hơi nước được thông qua lớp áo trước khi được đưa vào dưới piston, giữ cho piston và xi lanh ấm để ngăn ngừa sự ngưng tụ từ bên trong. Cải tiến thứ hai là sử dụng sức mở rộng của hơi nước chống lại áp suất âm ở phía bên kia của piston.
Lượng hơi nước được cung cấp sẽ bị cắt giảm trong quá trình di chuyển của piston, hơi nước sẽ mở rộng chống lại áp suất âm ở phía bên kia. Điều này đã tăng hiệu suất của động cơ nhưng lại tạo ra một lực xoắn biến đổi trên trục động cơ. Do đó, Watt đã giới hạn sức mở rộng của hơi nước với tỉ lệ 1:2, tức là lượng hơi nước được cắt giảm ở nửa hành trình của piston. Điều này đã tăng hiệu suất lý thuyết từ 6.4% lên 10.6%.
Doanh số của Máy Watt Boulton
Sau khi phát minh ra máy hơi nước Watt, James Watt đã gặp Matthew Boulton, một nhà sản xuất và doanh nhân người Anh. Hai người đã thành lập một công ty để sản xuất và bán máy hơi nước Watt. Công ty này được gọi là "Máy Watt Boulton" và đã trở thành một trong những công ty thành công nhất trong lịch sử công nghiệp.
Từ năm 1775 đến năm 1800, Máy Watt Boulton đã bán hơn 500 máy hơi nước Watt và trở thành một trong những công ty có doanh số cao nhất tại Anh. Điều này cho thấy sự ảnh hưởng của máy hơi nước Watt trong cuộc cách mạng công nghiệp.
Mối quan hệ Matthew Boulton và James Watt
Matthew Boulton và James Watt không chỉ là đối tác trong việc sản xuất và bán máy hơi nước Watt, họ còn là bạn bè thân thiết. Trong quá trình phát triển máy hơi nước Watt, hai người đã cùng nhau đưa ra các cải tiến và phát triển công nghệ để tạo ra một loại máy hơi nước hoàn hảo hơn.
Ban đầu, bộ ngưng tụ riêng biệt của máy vẫn còn những vấn đề chưa thể cải tiến. Vì lẽ đó, James Watt đã đến gặp Matthew Boulton và chia sẻ về ý tưởng cải tiến động cơ. Matthew Boulton đã đồng ý tài trợ để James Watt thực hiện các thí nghiệm ở Soho. Nhờ có sự kết hợp với Matthew Boulton mà James Watt đã có cơ hội tiếp xúc với các thợ thủ công lành nghề để sản xuất máy hơi nước của James Watt đầu tiên.
Thế nhưng, lơi nhuận chính thu được từ bằng sáng chế của họ lại đến từ việc tính phí giấy phép sử dụng cho người sở hữu động cơ. Mức phí này được tính toán dựa trên mức nhiên liệu mà máy tiết kiệm được.
Các cải tiến sau này
Sau khi thành công với máy hơi nước Watt, James Watt và các nhà khoa học khác đã tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ để tạo ra các loại máy hơi nước hoàn thiện hơn. Các cải tiến sau này bao gồm:
- Máy hơi nước kép: Đây là một phiên bản nâng cấp của máy hơi nước Watt, có hai xi lanh để tăng hiệu suất và sức mạnh của máy.
- Máy hơi nước đa xi lanh: Được phát minh bởi Arthur Woolf vào năm 1804, máy hơi nước đa xi lanh có nhiều xi lanh hoạt động song song để tăng hiệu suất và sức mạnh của máy.
- Máy hơi nước dùng than: Được phát minh bởi William Murdock vào năm 1799, máy hơi nước dùng than sử dụng than đốt thay vì gỗ để sản xuất hơi nước, giúp tiết kiệm chi phí và tăng hiệu suất.
Vai trò và ứng dụng
Máy hơi nước của James Watt đã có vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp. Trước khi máy hơi nước này được phát minh, các nhà máy và xưởng sản xuất thường sử dụng sức lao động của con người và động vật để hoạt động. Nhưng với sự ra đời của máy hơi nước Watt, sản xuất đã được tự động hóa và tăng nhanh chóng.
Chiếc máy này đã có ảnh hưởng lớn đến các ngành công nghiệp khác nhau, từ sản xuất vải, thép, đồng, đến việc vận chuyển hàng hóa và người qua đường sắt. Nó cũng đã mở ra kỷ nguyên mới cho việc sản xuất hàng loạt và là bước đột phá quan trọng trong lịch sử công nghiệp.
Máy hơi nước Watt đã có vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất, được xem như phát minh tiêu biểu. Các ứng dụng của máy hơi nước Watt bao gồm:
- Máy hơi nước Watt đã được sử dụng để vận hành các máy dệt, giúp tăng sản lượng và chất lượng của sản phẩm.
- Việc sử dụng máy hơi nước Watt trong việc sản xuất thép đã giúp tăng nhanh chóng sản lượng và giảm chi phí, đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp thép.
- Vận chuyển hàng hóa và người: Máy hơi nước Watt đã được sử dụng để làm động cơ cho tàu ỏa , tàu thủy, giúp tăng tốc độ và hiệu quả trong vận chuyển.
Kết luận
Máy hơi nước của James Watt là một phát minh đột phá trong lịch sử công nghiệp và có vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp. Nhờ vào sự cải tiến và phát triển của James Watt cùng các cộng sự, máy hơi nước Watt đã có ảnh hưởng lớn đến nhiều ngành công nghiệp. Từ đó, góp phần mở ra kỷ nguyên mới cho công nghiệp sản xuất hàng loạt. Đến ngày nay, máy hơi nước của James Watt vẫn được coi là biểu tượng của tiến bộ và phát triển của con người.
Nguồn tham khảo
- en.wikipedia.org
- worldhistory.org
