James Watt

James Watt’ın yaşamı ve eğitimi

James Watt, 19 Ocak 1736’da İskoçya’nın Greenock kentinde doğdu. Babası gemi yapımı, gemi sahipliği ve müteahhitlikle uğraşıyor; annesi ise iyi eğitimli biri olarak tanınıyordu. Watt’ın çocukluğu boyunca sağlık sorunları ve sık baş ağrıları yaşadığı aktarılır. İlk eğitimini evde annesinden aldı, ardından Greenock Grammar School’a devam etti. Matematiğe yatkınlık gösterirken Latince ve Yunancaya aynı ilgiyi duymadı.

Okuldan sonra babasının atölyelerinde çalışarak mühendislik modelleri yapma ve metal işleme konusunda el becerisi kazandı. Babasının işlerinde yaşanan başarısızlıkların ardından Glasgow’da matematik aletleri yapımcısı olarak iş aradı. On sekiz yaşındayken Londra’ya giderek 1755-1756 yılları arasında bir yıl boyunca alet yapımcılığı eğitimi aldı; sonra İskoçya’ya dönüp Glasgow’a yerleşti. Tam bir çıraklık sürecinden geçmediği için bağımsız bir zanaatkâr olarak iş kurması kolay değildi.

Glasgow Üniversitesine gönderilen ve uzman bakımı isteyen astronomi aletlerini onararak çalışır hâle getirmesi, Watt’ın mesleki yönünü belirleyen önemli bir dönüm noktası oldu. Üniversitede küçük bir atölye kurmasına izin verildi ve 1757’den itibaren bilimsel araçların bakımını, onarımını ve üretimini üstlendi. Teleskop parçaları, barometreler, ölçekler ve yansıtmalı kadranlar gibi araçlar üzerinde çalıştı. Fizikçi ve kimyager Joseph Black ile ekonomist Adam Smith de bu dönemde tanıştığı kişiler arasındaydı.

Watt’ın eğitimi yalnızca okul bilgisiyle sınırlı kalmadı; bilimsel aletleri onarırken kuramsal bilgiyi uygulamayla birleştirdi. 1759’da John Craig ile müzik aletleri ve oyuncaklar da üreten bir ortaklık kurdu. 1764’te Margaret Miller ile evlendi; eşinin 1773’te doğum sırasında ölümünden sonra 1777’de Ann MacGregor ile ikinci evliliğini yaptı. Watt, yaşamının ilerleyen dönemlerinde yeni buluşlar üzerinde çalışmayı sürdürdü; ancak en büyük etkisi buhar makinesi alanındaki çalışmaları oldu.

Newcomen buhar makinesindeki sorunu fark etmesi

Watt’ın buhar makineleriyle ilgisi, Glasgow Üniversitesinde alet yapımcısı olarak çalıştığı dönemde başladı. O sırada mühendisler Thomas Newcomen’in makinesinin işe yaradığını, ancak verimsiz olduğunu biliyordu. Watt’ın temel gözlemi, makinenin silindirinin her çevrimde tekrar tekrar soğutulup yeniden ısıtılması nedeniyle büyük miktarda enerjinin boşa harcanmasıydı.

Bu durumun nedeni, buharın silindirin içinde yoğunlaştırılması ve ardından yeni buharın aynı silindire gönderilmesiydi. Silindir her defasında soğuduğu için yeni buharın bir bölümü önce silindiri yeniden ısıtmaya harcanıyordu. Watt’ın çözüm arayışı, bu ısı kaybını ortadan kaldıracak ayrı bir bölüm tasarlama fikrine dönüştü. Böylece çalışmasının başlangıç noktası, yeni bir makine icat etmekten çok mevcut makinenin enerji kullanımındaki temel sorunu anlamak oldu.

Ayrı yoğuşturucu nasıl çalışıyordu?

Ayrı yoğuşturucu, Watt’ın buhar makinesine yaptığı en önemli geliştirmedir. Yoğuşturma işlemini ana silindirden ayıran bu düzenekte, buharın yoğunlaştırılması için silindirin kendisi soğutulmak zorunda kalmıyordu. Silindir sıcak tutuluyor, buharın yoğunlaştırılması ise ayrı bir haznede gerçekleştiriliyordu. Böylece makine, her çalışma çevriminde silindiri yeniden ısıtmak için daha az enerji harcıyordu.

Düzenlemenin mantığı, buharın hareketi ile yoğunlaşma işlemini farklı yerlerde gerçekleştirmekti. Buhar pistonu hareket ettirmek üzere sıcak silindire girdiğinde silindir sıcaklığını koruyabiliyor; işini tamamlayan buhar, ayrı yoğuşturucuya yönlendirilerek burada yoğunlaştırılıyordu. Bu sayede sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan kayıp azaldı ve makinenin aynı işi yapmak için daha az kömüre ihtiyaç duyması mümkün oldu. Watt’ın geliştirmesi bu nedenle yalnızca bir parça eklemekten ibaret değildi; makinenin ısıyı kullanma biçimini değiştirdi.

Somut olarak, suyu maden kuyularından dışarı pompalayan bir Newcomen makinesinde silindir her çevrimde soğuyup ısındığında yakıtın önemli bir bölümü pompalama işine değil, silindirin sıcaklığını değiştirmeye gidiyordu. Watt’ın ayrı yoğuşturucusu bu kaybı azaltarak pompalama için kullanılabilecek gücü artırdı. Watt’ın 1776’da ticari işletmelerde çalışmaya başlayan makineleri, bu tasarımın pratik karşılığını gösterdi. Kaynaklarda Watt makinelerinin Newcomen makinesine göre yakıt bakımından beş kata kadar daha verimli hâle gelebildiği belirtilir.

Ayrı yoğuşturucu, makinenin güç, verimlilik ve maliyet açısından gelişmesini sağladı. Bu yeniliğin ayrıntılı çalışma prensibi ve verim hesapları, ayrı bir mühendislik konusudur.

Buhar makinesini geliştiren diğer düzenlemeleri

Watt’ın katkıları ayrı yoğuşturucuyla sınırlı kalmadı. İlk ticari makineler esas olarak pompaları çalıştırmak için pistonun ileri-geri hareketinden yararlanıyordu. Matthew Boulton’ın teşvikiyle Watt, bu hareketi dönme hareketine dönüştürmeye çalıştı. Böylece buhar makinesi yalnızca madenlerden su çekmekte değil, öğütme, dokuma ve değirmencilik gibi işlerde de kullanılabilecek hâle geldi. Krank mekanizmasına ilişkin bir patent engeliyle karşılaşınca Watt ve ortakları, 1781’de güneş ve gezegen dişlisi olarak bilinen farklı bir çözüm kullandı.

Watt ayrıca buharın pistonun iki tarafında sırayla etkili olduğu çift etkili motoru geliştirdi. Buharın genişleyerek kullanılmasına ilişkin yöntemler tanımladı ve iki ya da daha fazla motoru birleştiren bileşik motor fikrini ortaya koydu. Çift etkili makinelerde gerekli düz çizgi hareketini sağlayan paralel hareket bağlantısı da 1784’te patentlendi. Motor gücünü ayarlamak için bir kısma vanası, makinenin aşırı hızlanmasını önlemek için de 1788’de patentlenen merkezkaç regülatörü kullanıldı. Bu düzenlemeler birlikte, motorun daha kontrollü, üretilebilir ve farklı işlere uyarlanabilir olmasını sağladı.

Watt, yüksek basınçlı buharı kazanların patlama tehlikesi ve sızıntı sorunları nedeniyle sınırlı kullandı; makineleri atmosfer basıncına yakın buharla çalışıyordu. Buhar gücüyle ilgili ayrıntılı çalışma prensibi ve verim hesapları bu yazının kapsamı dışındadır. Güç kavramıyla bağlantılı olarak geliştirilen beygir gücü fikrinin ardından, güç birimi watt onun adını aldı; watt, SI güç birimidir.

Matthew Boulton ile ortaklığı ve ticari çalışmaları

Watt’ın teknik geliştirmelerinin yaygınlaşması, bunların üretilebilmesine ve müşterilere ulaştırılmasına bağlıydı. Watt, ayrı yoğuşturucu fikrini geliştirdikten sonra makinesini ticarileştirmeye çalıştı; ancak bu süreçte ciddi mali sıkıntılar yaşadı. 1775’te Matthew Boulton ile ortaklık kurması, bu sorunların aşılmasında belirleyici oldu. Boulton işin finansmanını ve ticari yönünü güçlendirirken Watt mühendislik tasarımlarına ve teknik geliştirmelere odaklandı.

Boulton ve Watt firması ilk yıllarda motorların çizimlerini ve teknik özelliklerini hazırlıyor, parçaların müşterilerin arazisinde kurulmasını denetliyordu. Parçaların çoğu başlangıçta başka üreticiler tarafından Watt’ın çizimlerine göre yapılıyordu. 1776’dan itibaren ilk makineler ticari işletmelerde çalışmaya başladı ve sonraki yıllarda özellikle Cornwall’daki madenlerde su pompalamak için birçok motor kuruldu. Firma, Newcomen makinesine kıyasla tasarruf edilen kömürün değerinin üçte birine denk gelen yıllık bir ödeme düzeni uyguluyordu.

Ortaklık büyüdükçe üretim kapasitesi de arttı. Boulton ve Watt, 1795’te motor parçalarını üretmek için bir dökümhane kurmaya yönelik mülk satın aldı; Soho Foundry 1796’da resmen açıldı. Watt’ın emekli olduğu 1800 yılında firma toplam 41 motor üretmişti. Bu ortaklık, Watt’ın fikirlerini atölye deneylerinden çıkarıp ticari işletmelerde kullanılan büyük makinelere dönüştürdü.

Sanayi Devrimi üzerindeki etkisi

James Watt’ın geliştirmeleri, buhar makinesini daha az yakıtla daha fazla iş yapabilen ve daha geniş kullanım alanlarına uyarlanabilen bir güç kaynağı hâline getirdi. Ayrı yoğuşturucu yakıt israfını azaltırken döner hareket sağlayan düzenlemeler, motorun yalnızca su pompalama amacıyla kullanılmasının önünü açtı. Öğütme, dokuma ve değirmencilik gibi alanlarda kullanılabilmesi, buhar gücünün üretim süreçlerine daha kolay aktarılmasını sağladı.

Bu etkinin mekanizması iki aşamada anlaşılabilir: İlk olarak makine aynı işi daha düşük yakıt tüketimiyle yapabildi; bu, özellikle su pompalama gibi sürekli güç gerektiren işlerde ekonomik avantaj sağladı. İkinci olarak motorun hareket biçimi ve kontrolü geliştirildi; böylece farklı üretim makinelerine bağlanması mümkün oldu. Boulton ve Watt ortaklığının ticari üretimi, bu teknik avantajların tek tek deneylerden çıkıp işletmelerde kullanılmasına yardım etti.

Watt’ın buhar makinesi çalışmaları, kendi ülkesi Büyük Britanya’da ve dünyanın başka bölgelerinde Sanayi Devrimi’nin getirdiği değişimler açısından temel öneme sahip oldu. Bununla birlikte Sanayi Devrimi’nin kapsamlı tarihi; üretim, toplum ve ekonomi alanlarındaki bütün gelişmeleri içeren ayrı bir konudur.

James Watt hakkında yaygın yanlışlar

James Watt buhar makinesini icat etmedi; Thomas Newcomen’in daha önce geliştirdiği buhar makinesinin verimliliğini önemli ölçüde artırdı. Kaynayan çaydanlığın kapağını görerek buhar makinesini bulduğu öyküsü de güvenilir bir biyografi bilgisi olarak kabul edilmez; Watt’ın laboratuvar deneylerinde çaydanlığı buhar üretmek için kullandığına dair kayıtlar vardır.