James Watt (Greenock, 19 de janeiro de 1736, pelo calendário juliano então usado na Grã-Bretanha, ou 30 de janeiro pelo calendário gregoriano) – Handsworth, 25 de agosto de 1819)Algumas fontes apresentam 19 de agosto de 1819 como data da morte, mas relatos contemporâneos indicam 25 de agosto e registram o sepultamento em 2 de setembro. A data de 19 de agosto aparece na biografia The Life of James Watt, publicada em 1858 por seu sobrinho James Patrick Muirhead. Outros documentos do próprio Muirhead, notícias da época, documentos relativos ao testamento e o registro do sepultamento sustentam a data de 25 de agosto. O registro da Igreja de Santa Maria, em Handsworth, não informa o dia da morte. foi um inventor, engenheiro e químico escocês. Sua máquina a vapor de Watt aperfeiçoou o Motor a vapor de Newcomen, criado por Thomas Newcomen em 1712; as primeiras máquinas de Watt começaram a operar em estabelecimentos comerciais em 1776. Esses aperfeiçoamentos foram fundamentais para as transformações da Revolução Industrial na Grã-Bretanha e em outras partes do mundo.
Watt trabalhava como fabricante de instrumentos na Universidade de Glasgow quando passou a estudar as máquinas a vapor. Engenheiros como John Smeaton já conheciam as deficiências da máquina de Newcomen e procuravam corrigi-las. Watt percebeu que resfriar e aquecer repetidamente o cilindro consumia grande parte da energia do vapor. Sua solução foi condensá-lo em uma câmara separada, o que aumentou a potência e a eficiência da máquina e reduziu os custos de operação. Mais tarde, adaptou-a para produzir movimento rotativo, ampliando seu uso para além do bombeamento de água.
Ao tentar comercializar a invenção, Watt enfrentou graves dificuldades financeiras. Em 1775, associou-se a Matthew Boulton e a empresa Boulton & Watt prosperou. Watt enriqueceu e, mesmo depois de se aposentar, continuou a criar dispositivos, embora nenhum tivesse alcance comparável ao de seus trabalhos com o vapor.
Watt também adotou o cavalo de potência como medida para comparar a potência das máquinas com a força dos cavalos e lhe deu uma definição quantitativa. Em sua homenagem, a unidade de potência do Sistema Internacional de Unidades recebeu o nome de watt.
Biografia
Infância e formação
James Watt nasceu em 19 de janeiro de 1736 em Greenock, no então condado de Renfrewshire. Era o quarto dos cinco filhos de Agnes Muirhead, morta em 1753, e James Watt, que viveu de 1698 a 1782. Os três irmãos mais velhos morreram ainda pequenos. Foi batizado em 25 de janeiro de 1736 na Old West Kirk, em Greenock. Sua mãe vinha de uma família de posição elevada, tinha boa instrução e era tida como uma mulher de personalidade forte. Seu pai construía embarcações, possuía navios, trabalhava como empreiteiro e ocupou em 1751 o cargo de baillie principal de Greenock. Parte das atividades comerciais do pai envolvia produtos obtidos por trabalho escravo e, ocasionalmente, o tráfico de pessoas escravizadas. Watt também participou dos negócios familiares: documentos de 1762 o relacionam à negociação de um menino negro chamado Frederick, provavelmente escravizado.
Seus pais eram presbiterianos e adeptos convictos do movimento dos Covenanters. Embora tenha frequentado cultos presbiterianos, biografias também o descreveram como deísta na vida adulta. Seu avô Thomas Watt, que viveu de 1642 a 1734, ensinava matemática, agrimensura e navegação e servia como baillie do barão de Cartsburn.
A mãe ensinou Watt em casa antes de ele ingressar na Greenock Grammar School. Na escola, mostrou facilidade para a matemática, mas pouco interesse pelo latim e pelo grego antigo. Relatos biográficos dizem que passou por longos períodos de saúde frágil na infância e sofreu de dores de cabeça frequentes ao longo da vida.
Depois de deixar a escola, trabalhou nas oficinas dos negócios do pai, onde demonstrou habilidade para fazer modelos de mecanismos. Com os negócios paternos em dificuldades, foi a Glasgow procurar trabalho como fabricante de instrumentos matemáticos.
Quando Watt tinha 17 anos, sua mãe morreu e a saúde de seu pai começou a piorar. Ele foi a Londres, onde passou um ano, entre 1755 e 1756, aprendendo a fabricar instrumentos. De volta à Escócia, estabeleceu-se em Glasgow com a intenção de abrir uma oficina própria. Ainda era jovem e não havia concluído um aprendizado formal, por isso não contava com os contatos de um antigo mestre para exercer o ofício por conta própria.
A chegada, da Jamaica, de instrumentos astronômicos legados por Alexander MacFarlane à Universidade de Glasgow abriu-lhe uma oportunidade: os aparelhos precisavam de reparos especializados.Marshall, Thomas H. James Watt, 1925, cap. 3. Watt os restaurou e recebeu pagamento pelo serviço. Posteriormente, os instrumentos foram instalados no Observatório Macfarlane. Em 1756, a universidade o contratou para trabalhar como fabricante de instrumentos e lhe ofereceu alojamento e uma oficina. Watt tornou-se amigo do físico e químico Joseph Black e do economista Adam Smith.
esquerda|miniatura|upright=0.78|alt=Retrato de meio corpo de James Watt, em vestes escuras, com o rosto voltado para a frente|A formação de Watt começou na oficina do pai em Greenock; o retrato de John Partridge, baseado numa obra de William Beechey, é de 1806.
Na oficina, Watt começou cuidando dos instrumentos científicos da universidade e ajudando em demonstrações. Também ampliou a fabricação de quadrantes. Fez e consertou quadrantes de reflexão de latão, oitantes, réguas paralelas, balanças, peças de telescópio e barômetros.
Biógrafos como Samuel Smiles atribuíram as dificuldades iniciais de Watt em Glasgow à oposição da associação local de ofícios. Historiadores como Harry Lumsden questionaram essa interpretação. Os registros do período são incompletos. Embora tenha encontrado resistência, Watt conseguiu trabalhar e negociar como artesão do metal, o que pode significar que a corporação dos artífices do martelo o aceitava ou que ele conseguiu evitar uma proibição direta.
Em 1759, Watt associou-se ao arquiteto e empresário John Craig para fabricar e vender artigos que iam de instrumentos musicais a brinquedos. A parceria durou seis anos e chegou a empregar 16 pessoas. Craig morreu em 1765. Alex Gardner, um dos funcionários, assumiu mais tarde o negócio, que permaneceu em atividade até o século XX.Hills, vol. 1, pp. 103–15.
Em 1764, Watt casou-se com sua prima Margaret, chamada Peggy, Miller. Tiveram cinco filhos, dos quais dois chegaram à idade adulta: James Jr., que viveu de 1769 a 1848, e Margaret, de 1767 a 1796. Margaret Miller morreu em 1773 durante o parto. Em 1776, Watt voltou a se casar, dessa vez com Ann MacGregor, filha de um tintureiro de Glasgow. Tiveram Gregory, de 1777 a 1804, que se tornou geólogo e mineralogista, e Janet, chamada Jessy, de 1779 a 1794. Ann morreu em 1832. Entre 1777 e 1790, Watt morou em Regent Place, em Birmingham.
Estudos científicos e invenções
Watt e a chaleira direita|miniatura|upright=0.92|alt=Pintura histórica que representa James Watt junto de uma máquina a vapor|A pintura de James Eckford Lauder, de 1855, representa Watt e a máquina a vapor quase um século depois dos experimentos descritos nesta seção. Uma história bastante difundida diz que Watt teve a ideia de inventar a máquina a vapor ao observar uma chaleira fervendo e sua tampa subir com a pressão do vapor. Os detalhes mudam de uma versão para outra: ele aparece ora como criança, ora como adulto, e a chaleira pertence ora à mãe, ora à tia. Isso põe em dúvida a autenticidade do episódio. De todo modo, Watt não inventou a máquina a vapor. Ele tornou a máquina de Newcomen muito mais eficiente ao acrescentar um condensador separado, conforme os princípios hoje conhecidos da eficiência térmica. É possível que James Watt Jr. tenha difundido a história para enaltecer a memória do pai. Nesse aspecto, ela lembra o relato da maçã que teria levado Isaac Newton à descoberta da gravidade.
Embora provavelmente seja uma lenda, a chaleira fazia parte dos experimentos de Watt. Ao investigar o comportamento do calor e do vapor, ele realizou ensaios de laboratório e anotou em seus diários que usava uma chaleira para gerar vapor.
Primeiras experiências com vapor Em 1759, John Robison, amigo de Watt, chamou sua atenção para a possibilidade de usar o vapor como fonte de força motriz. A máquina de Newcomen já bombeava água de minas havia quase meio século, mas pouco mudara desde sua criação. Watt começou a fazer experiências sem nunca ter visto uma máquina a vapor funcionando. Seu primeiro modelo não operou de modo satisfatório. Ele prosseguiu com os ensaios e leu tudo o que encontrou sobre o assunto. Compreendeu então a importância do calor latente, a energia térmica absorvida ou liberada num processo que ocorre a temperatura constante. Sem que Watt soubesse, seu amigo Joseph Black havia estudado o fenômeno anos antes. A compreensão do funcionamento das máquinas a vapor ainda era rudimentar, e a termodinâmica só seria formalizada quase cem anos depois.
direita|miniatura|upright=0.8|alt=Paredes de pedra em ruínas da antiga oficina junto à Kinneil House|Watt aperfeiçoou sua máquina numa oficina junto à Kinneil House; suas ruínas ainda subsistem.
No inverno de 1763 a 1764, Watt recebeu a tarefa de reparar um modelo da máquina de Newcomen pertencente à universidade. Mesmo depois do conserto, ela mal funcionava. Seus experimentos mostraram que grande parte do calor fornecido pelo vapor era consumida ao aquecer o cilindro em cada ciclo. Mais adiante, água fria entrava no cilindro para condensar o vapor e reduzir sua pressão. Ao aquecer e resfriar a mesma peça repetidas vezes, a máquina desperdiçava grande parte do calor em vez de convertê-lo em energia mecânica.
esquerda|miniatura|upright=0.78|alt=Peça metálica do condensador separado de Watt exposta em vitrine|Ao separar a condensação do cilindro, Watt evitou aquecê-lo e resfriá-lo a cada ciclo. Condensador conservado no Museu da Ciência de Londres.
Em maio de 1765, enquanto atravessava o parque Glasgow Green, Watt concebeu uma solução: condensar o vapor numa câmara separada do pistão e manter o cilindro à temperatura do vapor por meio de uma camisa de vapor em torno dele.Dickinson, p. 36. O cilindro passou a absorver pouca energia a cada ciclo, deixando mais calor disponível para realizar trabalho. Watt construiu um modelo funcional ainda naquele ano.
A ideia parecia viável, mas construir uma máquina em tamanho real ainda exigia muito capital financeiro. Black forneceu parte dos recursos. Uma contribuição maior veio de John Roebuck, fundador da Carron Iron Works, perto de Falkirk, que se associou a Watt. Roebuck morava na Kinneil House, em Bo'ness, e Watt aperfeiçoou a máquina numa casa de campo ao lado da propriedade. As ruínas da oficina ainda podem ser vistas atrás da casa.
miniatura|upright=0.8|alt=Fragmento de um grande cilindro metálico de máquina a vapor em área externa|A usinagem de cilindros precisos era um obstáculo para a máquina de Watt. Este fragmento, fundido em 1766, foi conservado na Carron Works, em Falkirk.
O maior obstáculo era fabricar o pistão e o cilindro com a precisão necessária. Em Coalbrookdale, metalúrgicos fundiam e perfuravam cilindros para máquinas de Newcomen havia décadas, mas o cilindro que William Small obteve para a máquina de Kinneil não serviu. O pistão de Watt precisava impedir a passagem de ar, ao passo que a máquina de Newcomen mantinha água sobre o pistão e exigia apenas uma vedação para líquidos. A obtenção da patente também consumiu muito capital. Sem recursos suficientes, Watt trabalhou como agrimensor e depois como engenheiro civil durante oito anos.Hills, vol. I, pp. 180–293.