phần lớn sức mạnh của hơi nước cũng sẽ bị thất thoát” vì piston phải cưỡng lại áp suất khí quyển để trở về vị trí ban đầu của nó.[17] Những nỗ lực của Robison để phát minh ra một phương tiện chạy bằng hơi nước đã khuyến khích Watt khám phá tiềm năng của hơi nước. Ông gần như ngay lập tức bắt đầu thiết kế một động cơ hơi nước hoạt động với áp suất cao thay vì gián tiếp bằng cách ngưng tụ hơi nước để tạo chân không như động cơ Newcomen đã làm. Hơi nước áp suất cao mang nhiều năng lượng trên một đơn vị thể tích hơn so với hơi nước ở áp suất khí quyển, điều đó có nghĩa là động cơ áp suất cao có thể nhỏ hơn - đủ nhỏ để gắn trên bánh xe. Tuy Watt chưa bao giờ chế tạo một động cơ có kích thước chuẩn, nhưng ông sẽ định hình “loại động cơ hơi nước” của mình trong hai đăng ký sáng chế vài thập niên sau đó, một đăng ký bao gồm “một phương thức áp dụng nó vào việc di chuyển xe chở có bánh.”[18] Công việc kinh doanh buộc ông phải gác lại nỗ lực sáng chế ban đầu này, nhưng đến năm 1763, James Watt đã học đủ về động cơ hơi nước hiện tại để nắm được phần nào cách hoạt động của nó.[19] Mùa đông năm đó, Anderson đã yêu cầu Watt sửa chữa động cơ Newcomen mà trường đại học đã mua từ Sisson vào năm 1760. Nó chưa bao giờ hoạt động tốt, chạy được một lúc là khò khè tắt máy. Đầu tiên, Watt tập trung vào việc sửa chữa “cấu trúc rất kém của một số bộ phận của
nó.” Tiếp theo, ông tinh chỉnh nó để giảm lượng nước lạnh bơm vào xilanh. Khi động cơ đã hoạt động bình thường được, ông chuyển sang nghiên cứu cách nó vận hành. Watt đã rất ngạc nhiên với lượng nhiên liệu “vĩ đại” được tiêu thụ so với kích thước của nó - xi-lanh bằng đồng của máy chỉ có đường kính 5 cm nhưng có thành quá dày. [20] Watt kết luận rằng xi-lanh này tỏa ra quá nhiều nhiệt, làm hệ thống quá nguội và gây hao phí năng lượng. Vào thời điểm đó, John Robison trở về Glasgow sau khi xuất ngũ khỏi hải quân, và hai người bạn này lập tức tiếp tục hợp tác.[21] Thảo luận về cỗ máy Newcomen bị lỗi trên, Watt nhớ lại, họ kết luận rằng nếu xi-lanh được làm bằng gỗ thay vì kim loại thì nó sẽ mất nhiệt ít hơn nhiều. Sau đó, Watt quyết tâm “cải tiến cỗ máy,” ông nói - không chỉ mô hình của Anderson mà còn, sau ba năm nghiên cứu và thử nghiệm không chính thức, cả chính động cơ Newcomen nữa. Hiệu năng và công suất máy rất thấp nhưng có nhiều chỗ để cải thiện. “Tôi luôn nghĩ rằng cỗ máy có thể được áp dụng cho các mục đích khác có giá trị như hút nước,” Watt ghi vào sổ tay. [22] Robison đã mạo hiểm với một trong những mục tiêu đó: giao thông vận tải. Vô số xưởng đúc sắt và xưởng len của Anh hiện đang phụ thuộc vào nguồn cung nước không đáng tin cậy có thể vận hành tốt hơn nếu ứng dụng hơi nước. Vào cuối năm 1763, Watt rời khỏi cơ ngơi trong trường đại học và đến thành phố Glasgow, mở một cửa hàng và xưởng sản xuất lớn hơn ở Trongate, gần chợ muối, phía bắc của sông Clyde và phía tây của công viên Glasgow Green.[23] Ông bắt đầu nhận cổ đông mới bao gồm cả cha, James Watt Senior, cùng người bạn giáo sư lâu năm Joseph Black. Công việc kinh doanh của họ đã vượt xa thời làm cho đại học của Watt. Đến năm 1764, họ đã thuê mười sáu thợ và thư ký trong một hoạt động được mở rộng bao gồm việc bán lẻ, từ kính viễn vọng, nhạc cụ, đến đồ chơi. Tổng doanh thu của họ năm đó tổng cộng khoảng 600 bảng (ngày nay là 70.000 bảng, tương đương 100.000 đô-la).[24] Nhà mới phù hợp với việc cưới vợ là một lý do khác cho việc di chuyển. Watt gần đây đã đính hôn với một người em họ bên ngoại tên là Margaret Millar - biệt danh Peggy - người mà ông biết từ thời thơ ấu. Họ kết hôn vào tháng 7.[25] Bất chấp những thay đổi khiến Watt bận lòng, ông vẫn tìm ra thời gian để thử nghiệm các cải tiến cho động cơ đốt. Robison đã ghi nhận tiến bộ
của họ: Watt đã cải thiện đáng kể nồi hơi bằng cách tăng bế mặt tiếp xúc với lửa; ông đặt các ống hơi giữa tâm nước; đặt lửa giữa tâm nước; và làm nồi hơi bằng gỗ… Ông bọc xi-lanh và tất cả các ống dẫn, trong các vật liệu dẫn nhiệt rất chậm; ông thậm chí còn dùng gỗ để làm chúng. Sau khi đã quen với các thiết kế của mình (giờ ông đã chế tạo các mẫu mới), ông thấy rằng vẫn còn lãng phí hơi nước và nhiên liệu quá lớn, không thể tránh khỏi, do phải làm mát xi-lanh xuống nhiệt độ thật thấp ở mỗi pha vận hành hiệu quả; và ông đã nhận thấy ba phần tư tổng lượng hơi nước đã ngưng tụ và hao phí trong quá trình đi lên của piston… Sự hao phí năng lượng khổng lồ này dường như là không thể tránh khỏi.[26] Trước thời điểm mùa hè mà ông kết hôn, ông còn tiến hành nhiều thí nghiệm khác nữa. Watt đo lượng hơi cần thiết để đun nóng một thể tích nước lạnh đến độ sôi. Ông đã ngạc nhiên khi nhận ra “nước được chuyển thành hơi có thể đốt nóng một lượng nước giếng có khối lượng gấp sáu lần lên tới nhiệt độ 100°C… Ngỡ ngàng trước phát hiện đáng chú ý này và không lý giải được nguyên nhân của nó, tôi đã trao đổi với bạn là Tiến sĩ Black, và ông ấy đã giải thích cho tôi học thuyết của mình về ẩn nhiệt.”[27] Joseph Black, nhà nghiên cứu trong lĩnh vực mà ngày nay chúng ta gọi là hóa lý, là người phát hiện ra ẩn nhiệt. Suốt nhiều thế kỷ người ta đã cho rằng việc đưa nhiệt vào một chất sẽ làm tăng dần đều nhiệt độ của nó. Ngược lại, Black nhận thấy việc đun một lượng nước nhỏ để bay hơi hết mất khoảng sáu lần thời gian để đun nó đến điểm sôi ban đầu.[28] Năm 1757, Black bắt đầu đo lường độ trễ lý thú này. Ông nhận ra đun nóng một nồi nước làm tăng nhiệt độ của nó cho đến khi bắt đầu sôi, lúc đó nhiệt độ nước sôi vẫn giữ nguyên - 100°C - mặc dù tiếp tục thêm nhiệt, cho đến khi tất cả nước bốc hơi hết. Tương tự như vậy, việc làm nóng băng đông lạnh làm tăng nhiệt độ của nó cho đến khi nó bắt đầu tan chảy, tại thời điểm đó, nhiệt độ của băng tan vẫn giữ nguyên ở mức đóng băng - 0°C - mặc dù tiếp tục thêm nhiệt, cho đến khi tất cả băng tan thành nước. Lượng nhiệt làm tăng đáng kể nhiệt độ được Black gọi là “hiện nhiệt.” Còn lượng nhiệt dường như biến mất trong nước sôi hoặc tồn tại trong băng tan mà không làm thay đổi nhiệt độ được ông đặt tên là “ẩn nhiệt.”
Điều gì đã xảy ra với nhiệt? Black đã thử nghiệm những hiện tượng này trong năm năm tiếp theo. Năm 1762, ông đã đi đến kết luận, khi báo cáo với Câu lạc bộ Triết học của trường đại học vào tháng 4, rằng với băng, lượng nhiệt đó để chuyển băng thành nước; và trong trường hợp đun sôi, để biến nước thành hơi.[29] (Ngày nay những biến đổi này được gọi là hiện tượng thay đổi trạng thái. Khi nhiệt tác động vào một vật, vật này sẽ thay đổi nhiệt độ hoặc thay đổi trạng thái - từ băng sang nước, từ nước sang hơi và nói chung từ thể rắn sang thể lỏng, sang thể khí - và lượng nhiệt “biến mất” thể hiện công năng cần thiết để vượt qua lực nguyên tử chống lại sự thay đổi. Hơi nước ở áp suất khí quyển chiếm một thể tích gấp 1.700 lần lượng nước mà nó sinh ra, ví dụ: ẩn nhiệt biểu thị năng lượng - công năng - cần thiết để thúc đẩy sự giãn nở.) Các thí nghiệm ngoài giờ cũng giúp Watt tìm ra ẩn nhiệt: “Từ đó tôi đã tình cờ gặp được một trong những hiện tượng vật chất mà lý thuyết đẹp đẽ [của Black] đề cập đến.”[30] Watt lấy từ lý thuyết này thông tin mà ông cần: nước hấp thụ rất nhiều nhiệt khi biến thành hơi và mất đi rất nhiều nhiệt khi biến trở lại thành nước. Nếu ông muốn chế tạo một động cơ hơi nước hiệu quả hơn, tốn ít than hơn, từ đó chi phí rẻ hơn để vận hành, thi “điều cần thiết là xi-lanh luôn nóng như hơi nước đi vào và hơi nước cần được làm lạnh xuống dưới 37°c [khi bơm nước lạnh để ngưng tụ tạo chân không] để phát huy hết sức mạnh của nó.”[31] Nhưng hai yêu cầu này là loại trừ lẫn nhau. Làm thế nào để giữ cho xilanh nóng trong khi đưa nước lạnh vào để ngưng tụ hơi nước? Ông hoang mang với câu hỏi đó nhiều tháng trời. Vào một chiều Chủ nhật tháng 4 năm 1765, câu trả lời đã đến với ông như một sự tỉnh thức kinh điển.[32] Watt lúc đó đang đi bộ ở công viên Glasgow Green, suy tư về bài toán nghịch lý của mình, khi ông nhận thấy hơi nước giãn nở để lấp đầy chân không, nếu ông gắn vào một bể riêng kết nối với xi-lanh, bơm không khí ra rồi mở kết nối, hơi nước sẽ tràn vào bể riêng này - và xi-lanh sẽ được làm rỗng.[33] Giải pháp nằm ở việc không làm mát xi-lanh chính để ngưng tụ hơi nước. Làm như vậy sẽ lãng phí lượng nhiệt cần thiết để làm nóng xi-lanh cho chu ky tiếp theo. Nhiệt là than; than là tiền. Tốt nhất là tiết kiệm nó. Watt viết trong đơn xin cấp bằng sáng chế của mình bằng ngôi thứ ba “tâm trí của anh ta theo đuổi việc làm cho động cơ vừa rẻ vừa tốt.”[34] Người
Scotland này nhận ra cách đơn giản nhất để tiết kiệm nhiệt là chuyển hoàn toàn quá trình ngưng tụ ra khỏi xi-lanh vào một bể riêng mà ông gọi là bình ngưng riêng. Như vậy xi-lanh có thể được giữ nóng trong suốt chu kỳ làm việc và tiết kiệm năng lượng. Vậy có thể kết nối xi-lanh và một bình ngưng nhỏ hơn thông qua một đường ống, với một van để kiểm soát dòng chảy. Khi hơi từ nồi hơi đã lấp đầy xi-lanh chính, chỉ bơm nước lạnh vào bình ngưngNA mở van. Hơi nước trong xi-lanh sẽ tràn vào bình ngưng, làm ngưng tụ nước ở đó và để lại khoảng trống trong xi-lanh. Chân không trong xi-lanh sẽ cho phép áp suất của khí quyển đẩy piston lên, sản sinh công. Nhưng với một khoảng chân không trong cả xi-lanh và bình ngưng, làm sao để nước lạnh đi vào, không khí đi vào và hơi nước ngưng tụ được thoát ra cho chu kỳ tiếp theo? Watt nghĩ ra hai cách, một cách là một ống thoát nước dài chìm xuống mặt đất bên dưới động cơ. Nhưng phương pháp ông chọn là bơm chúng ra bằng thiết bị bơm hơi. Một ống thoát nước dài sẽ giới hạn khu vực có thể lắp đặt động cơ. Thiết bị bơm hơi thì có thể lắp đâu cũng được. Với sự phấn khích tột độ, Watt đã chế tạo một mô hình bình ngưng tách rời: một xi-lanh thiếc cao, hẹp với một xi-lanh nhỏ hơn được lắp bên trong máy bơm.
Mẫu bình ngưng riêng đầu tiên của Watt Một ngày nọ, ông đang ngồi trong phòng khách làm việc với mô hình này vào tháng 5 năm 1765 thì John Robison đến nhà. Có lẽ một người hầu đã cho Robison vào; sự xuất hiện này làm Watt bất ngờ. Robison bắt đầu nói về hơi nước nhưng Watt đã quá phấn khích không kiềm chế được bản thân: “Ông không cần phải làm khó mình nữa. Giờ tôi đã chế tạo được một động cơ không lãng phí một hạt hơi nước nào. Tất cả sẽ được giữ cho sôi, đương nhiên rồi, và nước lạnh sẽ được đưa vào nếu tôi muốn.” Đến đoạn đó, Watt nhận thấy Robison đang nhìn chằm chằm vào mô hình ngưng tụ của ông; ông liền đá nó xuống dưới gầm bàn.[35] Robison hỏi Watt về cái ống mà ông vừa cố giấu. Watt trả lời kiểu vô thưởng vô phạt. Robison tỏ ra thất vọng. Ông nói rằng gần đây đã buột miệng “tiết lộ” cho một đối thủ cạnh tranh về một ý tưởng mà Watt đã chia sẻ với ông, và Watt ngay lập tức lấy lại được khả năng nói năng rành mạch. Robison rời đi, chuẩn bị về nước tối hôm đó. Robison đi bộ đến bờ sông gần đó để chờ xe và bất chợt gặp một người bạn cả hai đều quen, Alexander Brown, người đang ra ngoài đi dạo. “Chà,” Brown hỏi thăm Robinson, “ông đã gặp Jamie Watt chưa?” Robison trả lời có. Brown bảo Watt hẳn đang vui lắm. Robison đồng ý. “Trời ạ,” Brown tiếp tục, háo hức chia sẻ tin mới, “bình ngưng chính là giải pháp: giữ nó vừa đủ lạnh và ta sẽ có một khoảng chân không hoàn hảo, bất kể sức nóng của xi-lanh.” Đến lúc ấy Robison mới hiểu ra: giữ cho xi-lanh nóng, thoát hết hơi nước, thiết bị ngưng tụ riêng: “Mọi thứ bất chợt lóe lên trong đầu tôi.”[36] Robison tiếp tục khai thác thêm thông tin từ Brown. Ông biết rằng Watt đang gặp khó khăn trong việc ngăn xi-lanh rò hơi nước. Watt đã thử cả da và nỉ, nhưng chúng đều không thể chịu được sức nóng. Đó rõ ràng là một khó khăn mới chưa được giải quyết. Robison nhận định điểm quan trọng ở đây là Watt đã sử dụng hơi nước để tạo năng lượng cho động cơ của mình, không đơn thuần chỉ dựa vào áp suất không khí. Về đến nhà vào ngày hôm sau, Robison đã đặt làm một động cơ. Khi nhận được sản phẩm đặt làm, ông hào hứng thử nghiệm. Trong vài phút, ông liên tục bơm hầu hết không khí ra một bể chứa lớn. Sau đó ông không còn nghi ngờ gì nữa, rằng “Ngài Watt đã thực sự tạo ra một động cơ hơi nước hoàn hảo.”[37]
Các động cơ đời đầu của Watt vẫn còn rất nhiều khuyết điểm. Mặc dù ít lãng phí than hơn so với các động cơ Newcomen thế hệ trước, những động cơ này chỉ có hiệu năng 2%. Đáng nói hơn, khi ông nộp đơn xin cấp bằng sáng chế và được duyệt vào năm 1769, ông đã đề xuất bảo đảm quyền phát minh của mình dưới danh mục “Các phương pháp giảm thiểu tiêu thụ hơi nước, và từ đó, bớt hao phí nguyên liệu trong động cơ đốt.”[38] Nếu có hiệu năng hơn thì nó vẫn là một động cơ khí quyển, hoạt động không phải bằng áp suất hơi trực tiếp mà bằng cách ngưng tụ hơi nước để tạo chân không. Watt cũng không thể theo đuổi việc cải tiến động cơ toàn thời gian. Trong hầu hết mười năm sau khi lóe lên ý tưởng ở công viên Glasgow Green, ông làm công việc khảo sát và kỹ sư xây dựng, xây kênh đào cho làn sóng phát triển kênh đào mới quét đến Anh và lắp ráp những động cơ Newcomen thông thường. Năm 1775, ông tìm được một đối tác năng động, có khả năng giúp sức, tài chính dư dả, đó là nhà công nghiệp thành đạt Matthew Boulton. Watt hay than vãn còn Boulton thì táo bạo; ông nổi tiếng với việc bảo Watt khi Watt định đề xuất bán cho Boulton độc quyền sản xuất động cơ hơi nước chỉ cho các hạt Warwickshire, Staffordshire và Derbyshire, “Sẽ không đáng để tôi chỉ sản xuất cho có ba hạt này, nhưng tôi thấy rất đáng nếu sản xuất cho cả thế giới.”[39] Boulton vận động Quốc hội tăng thời hạn cho bằng sáng chế của Watt và được cấp phép đến năm 1800. Các động cơ của Boulton và Watt sau đó khai thác hơi nước trực tiếp, gắn van tiết lưu tự động, tạo ra chuyển động quay, công suất đầu ra nhịp nhàng và hơn thế nữa. Từ việc chỉ bơm nước mỏ, các động cơ hơi nước mới đã thổi vào các lò luyện kim, quay các xưởng bông, xay ngũ cốc, đúc huy