JAMES CLERK MAXWELL (1831-1879) - người xây dựng lý thuyết về điện từ trường

       Maxwell là nhà Vật Lý kiệt suất người Anh nhưng chỉ sống tới 48 tuổi. Trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học, ông đã để lại những cống hiến không bao giờ phai mờ. Đó là lý thuyết về màu sắc, vật lý thống kê về nhiệt lượng học, lý luận điện từ trường, và cả việc xây dựng phòng thí nghiệm Canvendish (1731-1810)…

     Thành tựu của ông có thể sánh cùng với những thành tựu của Einstein. Thành tựu nổi bật nhất của ông là xây dựng nên lý thuyết hoàn chỉnh của điện từ trường - thành quả lý luận chủ yếu nhất của Lịch sử vật lý giai đoạn từ Newton (với trừơng lực hấp dẫn) tới Einstein (với lý thuyết tương đối). Đúng như nhà vật lý nổi tiếng Max Planck (1858-1947) người Đức đã nói :” Tên tuổi của J.C Maxwell mãi mãi lấp lánh trên cánh cửa lớn của thế giới vật lý học kinh điển”.

James Prescott Joule, là một nhà vật lí người Anh (đồng thời làm nghề ủ rượu), được sinh ra ngày 24/12/1818 ở Salford, Lancashire, mất ngày 11/10/1889.

Là con trai của Benjamin Joule (1784–1858), một người thợ ủ rược giàu có, Joule được dạy kèm tại nhà cho đến năm 1834, ông cùng anh trai Benjamin của mình được gửi vào học với John Dalton tại Hội Văn chương và Tríêt học Manchester . Cả hai anh em chỉ được đào tạo đại số và hình học trong vỏn vẹn hai nămtrước khi Dalton bị buộc phải nghỉ hưu vì một cơn đột khuỵ. Tuy nhiên, những ảnh hưởng của Dalton đã tạo nên một ấn tượng lâu bền cũng giống như cộng sự của ông, nhà hoá học William Henry and hai kĩ sư của Manchester Peter Ewart và Eaton Hodgkinson đã làm. Về sau cùng, Joule nhận sự dẫn dắt của John Davies. Joule bị cuốn hút vào khái niệm “dòng điện”. Ông và anh trai đã thử làm thí nghiệm nhiều lần bằng cách kích điện vào nhau và vào những người làm trong gia đình.

Joule trở thành chủ xưởng rượu và giữ vai trò chủ chốt cho đến khi ông bán toàn bộ doanh nghiệp của mình năm 1854. Khoa học là một sở thích nhưng ông sớm bắt tay vào xem xét tính khả thi của việc thay thế máy hơi nứơc trong xưởng rượu bằng động cơ điện mà ông mới sáng chế. Năm 1838, bản phác thảo đầu tiên của ông được trình lên tờ Annals of Electricity, một tập san khoa học mà cha đẻ của nó chính là những đồng nghiệp của Davies William Sturgeon.

Ông tìm ra định luật Joule năm 1840 và mong mỏi sẽ gây được ấn tượng đối với Hội đồng Hoàng Gia nhưng cuối cùng ông nhận ra rằng ông đã bị xem thường và đánh giá thấp như kẻ tài tử quê mùa. Khi Sturgeon chuyển đến Manchester năm 1840, Joule và Sturgeon đã trở thành nhân vật trung tâm trong giới trí thức thành phố. Cặp đôi này đã chia sẻ những quan điểm tương đồng rằng khoa học và thuyết thần học có thể và nên được kết hợp với nhau. Joule tiếp tục việc thuyết giảng tại Viện bảo tàng Hoàng gia Victoria về Khoa học ứng dụng do Sturgeon quản lí.

James Joule đã dần nhận ra việc đốt một pao than đá trong máy hơi nước sẽ hiệu quả hơn gấp 5 lần so với 1 pound kẽm. Bị ảnh hưởng bởi cách nghĩ của Franz Aepinus,Joule cố gắng giải thích những hiện tượng về dòng điện và từ tính xét với những nguyên tử bị bao quanh bởi ê-te nhiệt trong tình trạng dao động.

Tuy vậy, niềm đam mê của Joule lại xúât phát từmột câu hỏi kinh tế rằng một công việc có thể chiếm bao nhiêu từ nguồn nguyên liệu được cung cấp, dẫn dắt ông vào những nghiên cứu về khả năng hoán chuyển của các dạng năng lượng. Năm 1843 ông đưa ra được những kết quả cho thấy những ảnh hưởng của việc đun nóng mà ông đã trù liệu năm 1841 chính bởi sự tồn tại của những lớp hơi nóng trong dây dẫn mà không lan sang những phần khác của thiết bị. Đó là một thử thách trực tiếp đối với thuyết nhiệt học vốn cho rằng nhiệt không thể được tạo nên hay bị làm cho biến mất. Thuyết nhiệt học đã vượt hẳn những cách nghĩ xưa cũ trong nghiên cứu nhiệt học từ khi nó được Antonie Lavoisier chứng minh năm1783. Uy tín của Lavoisier và thành công trên thực tế của thuýêtNhiệt học dựa trên động cơ nhiệt do Sadi Carnot tìm ra năm 1824 bảo đảm cho Joule. Những người ủng hộ thuyết nhiệt học sẵng sàng làm rõ tính đối xứng của nhửng ảnh hưởng Peltier-Seebeck từ đó có cơ sở để tuyên bố rằng nhiệt và dòng điện có sự chuyển hoá lẫn nhau bằng một quá trình thuật nghịch.

Đương lượng nhiệt của công
Nhờ hệ thống máy nhiệt của Joule năm 1845, Joule tìm ra thứ ngôn ngữ của vis viva (năng lượng).
Những thí nghiệm và phép đo bổ sung của Joule đã dẫn dắt ông đến việc ước lượng đương lượng nhiệt của công làm tăng nhiệt của một pound nước thêm một độ F là khoảng 838 ft·lbf. Ông công bố kết quả này tại cuộc họp của nhóm chuyên trách Hoá học thuộc Tổ chức Tiến bộ Khoa học Anh tại Cork năm 1843 và nhận lại được không gì ngoài sự im hơi lặng tiếng.
Joule vẫn không nản lòng và bắt tay vào tìm kíêm những chứng minh về mặt cơ học cho ý kiến của mình rằng công có thể chuyển hoá thành nhiệt. Bằng cách cho nước đi qua một xi-lanh đã đục lỗ, ông có thể đo được những tăng giảm nhiệt độ tinh vi nhất của chất lỏng.
Ông nhận được kết quả đương lượng khoảng 770 ft·lbf/Btu (4.14 J/cal). Sự thật cho thấy rằng giá trị mà ông có từ những phương tiện điện tử hay cơ khí với Joule đếu có điểm chung về cường độ, buộc phải có chứng thực tế thể hiện chuyển hoá từ công thành nhiệt.
Joule thử nghiệm đến quá trình thứ ba. Ông đo lượng nhiệt sinh ra chống lại công nén gas.
Ông thu kết quả đượng nhiệt là 823 ft·lbf/Btu(4.43 J/cal).Trong nhiều cách, thực nghiệm chỉ ra mục tiêu dễ dàng nhất cho sự nhận xét của Joule nhưng ông đã tiên liệu trứơc sự đối nghịch thể hiện trong những thực nghiệm tinh vi hơn.
Tuy nhiên, dự án của ông đã bị Hội Đồng Hoàng Gia bãi bỏ và ông phải t ạm bằng lòng với việc cho xuất bản thành quả của mình trên tờ Tríêt học. Trong đó, ông quả quyết tin vào lập lựân về sự thất thoát năng lượng của Carnot và Émile Clapeyron. Nhưng những động cơ về mặt lí thuyếtdần trỡ thành bằng chứng: “Tôi cho rằng ý thuyết này đối nghịch với những triết lý chủ chốt đã được đề ra vì nó dẫn đến kết luận rằng năng lượng có thể bị triệt tiêu do cách bố trí không chính xác trong bộ thực nghiệm. Vì đó, ông Clapeyron đưa ra suy luận rằng nhiệt độ của lửatừ 1000°C đến 2000°C cao hơn so với nồi đun, vậy có nghĩa là có một lượng lớn năng lượng thất thoát trong quá trình truyền nhiệt từ lò luyện đến nồi đun. “Tin rằng năng lượng để triệt tiêu là từ một mình tự nhiên, tôi khẳng định ... bất kì lý thuyết nào, khi thực nghiệm, đòi hỏi sự triệt tiêu lực, là một sai lầm cần thiết phải có.”
Bộ dụng cụ thí nghiệm của Joule sử dụng trong đo đạc đương lượng nhiệt của công. Năm 1845, Joule có một bài thuyết trình về những nghiên cứu đương lượng nhiệt của công trước cuộc họp của hội đồng Anh tại Cambridge. Ông báo cáo về những thí nghiệm được quan tâm nhất liên quan đến việc sử dụng trọng lực để tiện một bánh guồng được đặt trong một thùng đã phủ lớp cách ly chứa nước sau này được đo và thấy rõ sự tăng nhiệt độ. Ông ước lượng đương lượng nhiệt của công khoảng 819 ft·lbf/Btu
(4.41 J/cal).
Năm 1850, Joule hoàn thành và cho công bố những kết quả đo tinh vi hơn khoảng 772.692 ft·lbf/Btu (4.159 J/cal), gần hơn với con số được ứơc lượng ở thế kỷ 20.
Joule đã có một cuộc đấu tranh giành quyền lợi với Mayer về thuyết đương lượng nhiệt.
Ban đầu, việc làm của Joule đã gặp phải nhiều sự chống đối, chủ yếu bắt nguồn từ sự cần thiết phải có số liệu đo lường cực kì chính xác. Ông cam đoan có thể đo nhiệt độ chính xác đến 1 phần 200 độ Fahrenheit. Sự chính xác này chắc chắn rất khó có được trong các thí nghiệm vật lí ở thời của ông, tuy nhiên những kẻ nghi ngờ ông đã không hề quan tâm tới nghệ thuật điều chế và khả năng nắm bắt nguyên lí thực hành của ông. Ông cũng đã nhận được sự trợ giúp của một nhà chế tạo công cụ khoa học John Benjamin Dancer.
Joule đã tìm đến những người đi trước có đồng quan điểm nhưFrancis Bacon, Sir Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson, Count Rumford và Sir Humphry Davy. Dù các quan điểm đều có lí, Joule quyết định ước lượng một giá trị cho đương l ượng nhiệt của công là 1034 foot-pound theo những số liệu trước đó của Rumford. Nhiều tác giả hiện đại đã chỉ trích cách giả quyết này, vì theo họ các thí nghiệm của Rumford đã không chỉ ra các số liệu có hệ thống. Trong một ghi chú riêng của mình, Joule đã nói rằng những số liệu của Mayer không hề chính xác hơn Rumford, hy vọng Mayer không tiên liệu được việc làm của mình.

Thuyết động lực học:
Cũng vào năm 1847, một phát biểu khác của Joule tại Hội liên hiệp Anh ở Oxford cũng đã thu hút sự chú ý của George Gabriel Stokes, Michael Faraday, và William Thomson, sau là Lord Kelvin, người vừa được chỉ định làm giáo sư ở trường Đại học Glasgow. Stokes đã “quyết trở thành người ủng hộ Joule”, còn Faraday “đã rất ấn tượng” dù vẫn còn mang nhiều nghi vấn. Thomson đã có để ý tới nhưng chưa hoàn toàn tin tưởng.
Một cách vô tình, Thomson và Joule sau đó đã gặp lại nhau cũng vào năm đó tại Chamonix. Joule cưới Amelia Grimes ngày 18 tháng 8 và họ đã hưởng tuần trăng mật. Bỏ mặc niềm vui hôn nhân, Joule và Thomson đã sắp xếp thực hiện một thí nghiệm vài ngày sau đó, để đo sự chênh lệch nhiệt độ ở đầu và cuối thác Cascade de Sallanches, nhưng việc này đã không thành công.
Dù Thomson nghĩ rằng những kết quả của Joule cần phải có lí giải về mặt lí thuyết, ông cũng đã hết mình bảo vệ nó tại trường Carnot-Clapeyron. Trong báo cáo năm 1848 của ông về nhiệt độ xác định, Thomson đã viết:

... sự biến đổi của nhiệt (hoặc hoạt động toả nhiệt) thành cơ năng là gần như không thể xảy ra, chắc chắn chưa được phát hiện.

Nhưng một ghi chú nhỏ đã báo hiệu những nghi ngờ đầu tiên của ông về nguyên lí toả nhiệt, nói về “những phát kiến rất đáng lưu ý” của Joule. Thật đáng ngạc nhiên, dù Thomson không gửi một bản của báo cáo cho Joule nhưng Joule đã đọc được. Ông viết cho Thomson vào ngày 6 tháng 10, tuyên bố rằng những nghiên cứu của ông đã thể hiện sự biến đổi của nhiệt thành các tác dụng khác, nhưng ông đang muốn thực hiện thêm các thí nghiệm. Thomson trả lời vào ngày 27, rằng ông cũng đã lên kế hoạch cho thí nghiệm riêng của mình và mong đạt được sự thống nhất của hai người. Dù Thomson không thực hiện một thí nghiệm nào, nhưng trong vòng hai năm tiếp đó ông ngày càng cảm thấy thiếu niềm tin với các định luật của Carnot và tin tưởng vào địnhluật của Joule. Trong các báo cáo của ông năm 1851, Thomson đã quyết định không đi xa hơn việc thoả hiệp và tuyên bố “toàn bộ định luật về khả năng của nhiệt đã được nhắc đến trong hai lời tuyên bố, theo như Joule, và Carnot và Clausius.”
Ngay sau khi đọc được báo cáo, Joule đã viết thư cho Thomson để nhận xét và đặt nhiều câu hỏi. Từ đó bắt đầu một cuộc hợp tác đầy thành quả của hai người, Joule thực hiện các thí nghiệm, Thomson nghiên cứu, phân tích các kết quả và yêu cầu các thí nghiệm khác. Sự hợp tác kéo dài từ năm 1852 đến năm 1856, đã dẫn đến sự ra đời của kết quả Joule-Thomson, và những thành quả được tuyên bố đã giúp công việc của Joule và thuyết động lực học được rộng rãi công nhận.
Joule là học trò của Dalton, vì vậy ông đã có một niềm tin chắc chắn vào thuyết nguyên tử, dù rất nhiều nhà khoa học thời ông vẫn còn nghi ngờ. Ông cũng là một trong số ít người quan tâm đến những thành quả của John Herapath về thuyết động lực học đối với khí gas. Sau đó, ông cũng đã bị ảnh hưởng bởi các báo cáo của Peter Ewart năm 1813 về các số liệu của các lực động.
Joule đã thấu hiểu được mối quan hệ giữa các khám phá của ông và thuyết động lực học của nhiệt. Các sách vở ghi lại thí nghiệm của ông cho thấy ràng ông tin nhiệt là một dạng xoay vòng, hơn là chuyển dịch.

Bộ dụng cụ dùng để làm thí nghiệm về đương lượng nhiệt của công của James Prescott Joule.

Làm việc chung vớiLord Kelvin để phát triển thang đo nhiệt độ nguyên chất, nghiên cứu về hiện tượng từ gỉao.

Xác định đương lượng nhiệt của công.

Cùng với các nhà bác học Nga Lenze phát hiện mối liên hệ giữa nhiệt và dòng điện chạy qua từđóthiết lập định luật tính nhiệt lượng toả ra từ một đoạn dây có dòng điện chạy qua ( định luật Joule-Lenze).

Cùng Thomxơn (W. Thomson) tìm ra hiệu ứng mang tên hai ông ( thuyết động lực học).

Thínghiệm của Thomson vàJoule

Vận dụng thuyết động học chất khí để giải thích định luật Bôi-Mariôt (Boyle - Mariotte) tính vận tốc trung bình của phân tử khí.

Định nghĩa:định luật xác định nhiệt lượng Q toả ra trong dây dẫn khi có dòng điện chạy qua, Q tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và thời gian dòng điện chạy qua.

Ứng dụng: là cơ sở để tính nhiệt lượng toả ra trong các dụng cụ và máy móc sử dụng nhiệt của dòng điện, như bàn là, bếp điện, lò điện, vv.

Nguồn gốc: định luật Joule do nhà vật lí Anh J. P. Joule phát hiện năm 1841 và được gọi theo tên ông.

Công thức:

Với Q là nhiệt lượng toả ra; R là điện trở của vật dẫn; I là cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn và t là thời gian dòng điện chạy qua vật dẫn.

Người ta đã lấy tên ông Joule đặt cho đơn vị công (Ký hiệu là J).

Trở thành hội viên của Hội đồng Hoàng gia (1850);

Nhận huy chương hoàng gia (1852);

Nhận huy chương Copley (1870);

Trở thành chủ tịch Hội Văn chương và Tríêt học Manchester (1860);

Trở thành chủ tịch Tổ chức Tiến bộ Khoa học Anh (1872);

LL.D., Bộ ba đại học Dublin, (1857);

DCL, Đại học Oxford, (1860);

LL.D., Đại học Edinburgh, (1871).

Ông được nhận £200 mỗi annum tiền trợ cấp công dân từ năm 1878 vì những đóng góp cho khoa học của mình;

Albert Medal of the Royal Society of Arts, (1880).

Xây dựng khu tưởng niệm Joule ở gian phía bắc giáo viện thuộc tu viện Westminster dù ông không được chôn cất tại đó.

Một tượng đài do Alfred Gilbert hoàn thành, toạ lạc trong toà thị chính Manchester, đối diện với tượng Dalton.

James Watt (19/1/1736 –19/8/1819), là nhà phát minh người Scotland và là một kỹ sư đã có những cải tiến cho máy hơi nước mà nhờ đó đã làm nền tảng cho cuộc Cách mạng công nghiệp.

James Watt sinh tại Greenock, một cảng biển của Firth of Clyde. Cha ông là một thợ đóng tàu, chủ tàu và là một nhà thầu khoán, còn mẹ ông – bà Agnes Muirhead thì xuất thân từ một gia đình danh giá và có học vấn đến nơi đến chốn. Cả hai đều là tín đồ của Giáo hội Trưởng lão (Presbyterian).

Watt đi học không thường xuyên và thay vào đó là được mẹ dạy tại nhà. Ông tỏ ra rất khéo tay và có năng khiếu về môn toán học trong lúc lại ngại môn tiếng Latinh và tiếng Hy Lạp cổ ; ông miệt mài với thần thoại Scotland.

Khi ông 17 tuổi, mẹ ông qua đời và sức khỏe cha ông bắt đầu suy sụp. Watt đi London để học ngành điều khiển đo lường (measuring instrument) trong 1 năm, sau đó trở lại Scotland, đến Glasgow, dự tính lập một cơ sở kinh doanh sản xuất thiết bị đo lường. Tuy nhiên, vì ông không trải qua ít nhất 7 năm học việc nên cơ quan quản lý thợ thủ công của Glasgow (Glasgow Guild of Hammermen) không cấp phép cho ông dù lúc đó chưa có thợ chế tạo dụng cụ cơ khí nào ở Scotland.

Watt được các giáo sư của Đại học Glasgow cứu khỏi tình huống bế tắc này khi họ đã cho ông một cơ hội mở xưởng nhỏ trong trường này và đây cũng là cơ hội để Watt đặt nền móng cho việc cải tiến máy hơi nước Niucômanh . Xưởng này được lập năm 1757 và là một trong những giáo sư của trường, là nhà vật lý và cũng là nhà hóa họcJoseph Black trở thành bạn và người thầy của Watt.

Năm 1767, Watt cưới cháu Joseph – Biller Miller và có 6 con với nhau.

Sau nhiều năm nỗ lực, cuối cùng ông đã chế tạo được máy hơi nước Oát nổi tiếng thế giới, thúc đẩy rất lớn hiệu suất sản xuất công nghiệp. Năm 1785 trở thành thành viên Viện Hàn lâm khoa học Anh. Những cống hiến của Watt xứng đáng được mệnh danh: "Người đặt nền móng cho cách mạng công nghiệp".

James Watt - Gợi ý từ cái nắp ấm đun nước

Năm 8 tuổi có một lần ở bên nhà bà ngoại đun nước, khi nước trên lò sôi, hơi nước phụt ra từ chiếc vòi của nó, rồi nắp ấm "Bạch, bạch, bạch" nhảy múa liên hồi trên miệng ấm, đồng thời có rất nhiều hơi bay lên. Watt cảm thấy rất thích thú, cậu chăm chú quan sát, không hiểu có ma quỷ gì trong ấm đang làm trò đây?Để ý một lúc lâu, lòng hiếu kỳ mãnh liệt cho cậu can đảm dùng tay mở nắp ấm.Hơi nước từ trong ấm ngùn ngụt bốc lên trời. Watt mở to đôi mắt hiếu kỳ quan sát, trong ấm không còn có gì khác ngoài nước. Thật là kỳ lạ, Watt nghĩ vậy.

Watt chạy ra ngoài kéo tay bà ngoại vào nhà và hỏi bà: -"Cái gì đẩy nắp ấm nước, làm nó cứ nhảy lên lại rơi xuống mãi thế hở bà?"

Bà ngoại chậm rãi nói: -"Cháu ơi, làm gị có cái gì, đấy là nước sôi."

-"Tại sao nước sôi thì nắp ấm lại nhảy lên vậy?" - Watt không hiểu được hỏi lại bà ngoại.

-"Do hơi nước đấy, cháu không nhìn thấy hơi nước phụt lên từ vòi ấm đó sao?"

-“Như vậy, hơi nước sinh ra từ đâu? Tại sao nó lại chạy ra vòi ấm nhỉ?"

-"Cục cưng của bà ơi, nó từ trong nước nóng ra, sau khi nước sôi thì sinh ra hơi nước."

-"Thế hả bà!"

Watt trầm ngâm một lát rồi hỏi bà:

-"Sức đẩy của hơi nước lớn như vậy hả bà? Có một tý nước mà hơi nước sinh ra mở được cả nắp ấm, nếu dùng nhiều nước thì sức đẩy phải lớn lắm bà nhỉ? Nếu hơi nước rất mạnh thì có thể nâng được vật rất nặng lên phải không ạ?"

-"Ừ, ừ, bà cũng không biết nữa, đợi lớn lên con sẽ biết!" Thấy bà không trả lời được, Watt tự trầm tư suy nghĩ.

James Watt - Đứa trẻ học nghề thông minh

Lúc nhỏ vì nhà nghèo không có tiền mua đồ chơi n ên đồ chơi của Watt đều do bố làm, đồ chơi của bố làm đẹp không kém gì mua.Cậu nghĩ nếu mình cũng biết làm thì tốt biết mấy! Không chỉ để chơi mà còn có thể bán một ít để lấy tiền mua sách.

Vì vậy mỗi ngày sau khi đi học về Watt đều chạy đến xưởng bố làm. Cha cậu là một công nhân kỹ thuật tay nghề cao, ông mở xưởng nhỏ ở ngoài thị trấn chuyên sản xuất và sửa chữa các thiết bị và dụng cụ đo lường dùng cho tàu thuyền. Watt rất thích xem những bác thợ lành nghề làm mô hình, sửa la bàn và dụng cụ đo lường như: dụng cụ đo góc vuông, kính viễn vọng,...

Cha cậu thấy con thích công việc của những người thợ này tỏ ra rất vui, cha đã dành cho cậu một gian phòng nhỏ, trong đó có rất nhiều công cụ và vật liệu các loại. Như vậy Watt nhỏ cũng có thể học kỹ thuật chế tạo và sửa chữa.

Cậu Watt nhỏ thông minh đã rất nhanh biết sử dụng công cụ trong xưởng, biết làm đồ chơi và chế tạo mô hình. Những hoạt động ngoài giờ học này đã ngốn của Watt không ít thời gian nhưng không hề ảnh hưởng đến việc học tập trên lớp. Sau khi tốt nghiệp trung học, Watt chuẩn bị vào đại học. Đúng lúc này cha cậu bị trục trặc trong công việc, sau đó mẹ mất, Watt đành phải bỏ ý định đi học đại học.

Năm 1755, Watt tròn 18 tuổi cậu sang London học thủ công nghệ. Sang London cậu rất vất vả mới tìm được sư phụ Moocgan, nhưng thời gian học tập là 4 năm.

Bốn năm? Dài quá! Đối với Watt 4 năm là quá dài. Cậu muốn học nhanh để sớm về giúp cha kiếm sống. Watt nói với thầy: "Con muốn học được nghề trong thời gian một năm".

Ông Moocgan hỏi Watt: -"Một năm? Câu có học được không?"

-"Được ạ!" - Watt quả quyết

Thầy Moocgan rất kinh ngạc, ông dạy bấy lâu năm biết bao nhiêu học trò, chưa có ai có thể học trong thời gian một năm.

Moogan nghĩ một lúc rồi nói: -"Thầy đồng ý nhưng con phải nộp 20 bảng tiền học nghề, ngoài ra trong một năm này con không có lương!"

Watt chấp nhận: -"Vâng ạ!"

Để gom được 20 bảng học phí với Watt lúc đó không phải là việc làm đơn giản, cuối cùng thì cậu cũng bắt tay vào học tập.

Vì lúc nhỏ cũng được đào tạo nghề thủ công lại thêm tư chất thông minh nên Watt học thủ công nghệ rất nhanh, đến mức thầy Moocgan cũng không dám tin, ông chưa từng gặp cậu học sinh nào thông minh đến thế.

Tháng 7 Watt học nghề, ngày 5 tháng 8 bắt đầu làm một thiết bị đo góc vuông dùng để xác định phương vị, già nửa tháng hoàn thành. Watt học nhanh kỳ lạ, tháng 10 cậu làm thước đẳng, tháng 11 học làm la bàn phương vị,...Ban ngày Watt học nghề ở xưởng, tối về tự làm, đã làm là miệt mài đến khuya. Ngày hôm sau trời mới sáng là cậu lại dậy tiếp tục làm. Cậu luôn là người dậy sớm nhất. Watt tranh thủ mọi thời gian và thời cơ để học tập kông chỉ học thầy mà còn học bạn. Cậu cần cù học tập, tiết kiệm ăn tiêu, nên vốn đã xanh gầy nay càng gầy xanh hơn, nhưng tay nghề cậu vững vàng lên rất nhiều.

Tháng 7 năm 1756, Watt đã học được nghề thủ công, bắt đầu tự kiếm sống.

James Watt - Ý tưởng & sự nghiệp

Chuyện hơi nước đẩy nắp ấm đun nước lên đã để lại ấn tượng rất sâu trong cậu bé Watt, cậu đã suy nghĩ rất nhiều về hiện tượng này.

Watt nghĩ: Một chút hơi nước mà có sức mạnh như vậy, nó nhất định sẽ có công dụng rất lớn. Nếu ta biết lợi dụng nó có thể làm được nhiệc lớn. Thí dụ: như ta nâng vật nặng lên cao, kéo vật gì đó chẳng hạn, Watt cảm thấy đây là một cách nghĩ thú vị và rất nhiều nghĩa.

Lý tưởng thời tuổi trẻ thôi thúc Watt nhỏ càng nỗ lực học tập. Lúc này ông mới biết trước đó đã có người nghĩ đến việc dùng hơi nước làm động lực... Trước đó không lâu, năm 1705 Niucômanh đã phát minh ra máy hơi nước Niucômanh.

Nhưng Watt không cam tâm để lý tưởng của mình bị nguội lanh, ông tiếp tục học tập, miệt mài, nghiên cứu. Watt phát hiện máy hơi nước Niucômanh tuy được dùng rộng rãi nhưng nó có rất nhiều điểm cần được cải tiến.Watt phát hiện máy hơi nước Niucômanh còn hạn chế vì hơi nước chưa được sử dụng triệt để.

Làm thế nào để hơi nước do máy hơi nước sinh ra được sử dụng triệt để?

Chính vì điều này mà Watt đã mất ăn mất ngù.Vào một buổi sáng nọ, Watt đi bách bộ ngoài sân golf, mặt trời từ từ mọc lên, mặt trời hồng rọi lên mặt ông. Bỗng nhiên một đám mây đen che khuất mặt trời, trong phút chốc bầu trời như tối lại, một trận gió thổi qua, mặt đất như xanh hơn, không gian như rộng hơn, cảm thấy dễ chịu lạ thường.Ông nhìn lên trời cao, nghĩ lại đám mây đen che kín mặt trời vừa rồi, một ý tưởng mới xuất hiện trong đầu ông: "Thiết kế bộ ngưng tụ hơi nước, làm cho hơi nước trực tiếp trở lại trạng thái nước ngay từ ngoài xi lanh, như vậy chẳng phải xi lanh có thể duy trì được nhiệt độ tương đối cao sao?"

Để chế tạo được máy hơi nước kiểu mới, Watt và các trợ lý của ông làm miệt mài không quản ngày đêm nhưng kết quả vẫn chưa giành được thành công, hơn nữa còn nợ nần chồng chất, cuộc sống hết sức khó khăn, có lúc thậm chí không còn tiền để ăn nữa. Watt không nản lòng, ông càng nỗ lực hơn, cuối cùng năm 1765 ông đã chế tạo thành công một chiếc máy hơi nước.Loại máy hơi nước này giảm được 3/4 lượng than tiêu thụ so với máy hơi nước Niucômanh mà hiệu suất nâng cao lên rất nhiều. Thành công lần này là sự cổ vũ lớn đối với Watt, ông vẫn muốn trực tiếp cải tiến một bước nữa để giảm lượng tiêu hao than xuống nữa, hiệu suất càng cao hơn.

Năm 1782, ông cho ra đời chiếc máy hơi nước mới đúng như ông đã suy nghĩ: Máy tiêu hao than ít, hiệu suất làm việc cao. Thành công phát minh ra loại máy hơi nước này đã làm cho máy hơi nước Niucômanh trở nên quá lạc hậu không còn chỗ đứng chân.

Máy hơi nước do Watt phát minh nhanh chóng được sử dụng rộng rãi. Tàu thuyền, tàu hỏa dùng máy móc hơi nước đua nhau ra đời, công nghiệp toàn thế giới nhanh chóng bước vào "thời đại máy hơi nước".

Nền công nghiệp cơ khí xưa và nay

Nói đến nền công nghiệp cơ khí, không thể không nhắc tới James Watt, bởi ông là nhân vật tiêu biểu nhất của nền công nghiệp cơ khí nước Anh, nơi khởi nguồn cho sự phát triển ngành cơ khí chế tạo của nhân loại cách đây gần 250 năm. Khi trở về quê hương, Watt được Trường Đại học Glassgow thuộc Scoland dành cho một vài phòng để mở xưởng sửa chữa dụng cụ. Tại đây, cậu được giao sửa chữa đủ các loại thiết bị và dụng cụ. J.Watt nhanh chóng nắm bắt được những nguyên lý vận hành của từng loại thiết bị, dụng cụ mà khách hàng đem đến nhờ sửa chữa. Anh lại được sự động viên khích lệ của giáo sư Jaseph Black là giảng viên lý thuyết của trường Glasgow. Cũng từ đây J.Watt định hướng cho mình là đi sâu về lĩnh vực động cơ. Nhưng vào thời điểm này mới chỉ đơn điệu có một loại động cơ newcomen dùng để hút nước trong các mỏ than của nước Anh. Nền công nghiệp khai thác than làm nguyên liệu của nước Anh thời bấy giờ đang phát triển nhanh.
Vào đầu năm 1764, người ta mang đến một động cơ newcomen của một mỏ than bị hỏng đến xưởng của J.Watt để nhờ sửa chữa. Như một sự đánh thức ước mơ, J.Watt xoay trần ra để tìm nguyên nhân của sự hỏng hóc, tháo pittông, xilang để quan sát, đo đạc thông số, rồi chỉnh sửa lại, lắp chúng lại để thử, vẫn chưa được; lại tháo rỡ, cứ như thế trong mấy ngày liền... Nhờ đó J.Watt hiểu rất kỹ về loại động cơ cổ điển này. Anh nhanh chóng nhận ra nhược điểm của nó: thân xác thì cồng kềnh, chạy thì ì ạch, ồn ào, ầm ĩ và tiêu thụ nhiên liệu quá nhiều...
Cuối cùng thì chiếc động newcomen cũng được chữa chạy để trả về cho chủ mỏ. Nhưng anh không dừng lại ở đó. Từ đây, J.Watt liên hệ với sự đẩy của hơi nước lên nắp, lên vòi ấm. Anh quyết định làm lại một số thí nghiệm mới theo hướng này: chế tác một động cơ mới dùng sức của hơi nước để đẩy pittông, nhưng với loại xilanh tác dụng kép (2 chiều), muốn như vậy phải chế ra được bộ phận điều khiển luồng hơi có tác dụng điều tiết tốc độ và đổi hướng dòng hơi... J.Watt tự chế tạo ra mẫu động cơ mới theo ý tưởng đó rồi thử nghiệm, tra cứu, rồi lại chế tạo dạng mới, lại thử nghiệm... không quản ngại tốn kém, công sức. Sau một năm trời miệt mài say mê thực hiện ý tưởng, đến năm 1765, J.Watt cho ra đời động cơ bằng hơi nước đầu tiên trên thế giới.
Loại máy hơi nước đầu tiên này được đánh giá rất cao ngay từ khi nó mới ra đời. Năm 1769, Hội đồng Khoa học Hoàng gia Anh đã cấp bằng sáng chế cho công trình sáng tạo quan trọng của J.Watt. Ngành cơ khí non trẻ của nước Anh lúc bấy giờ đón nhận nó một cách đầy tự hào, bởi dựa và nguyên lý của J.Watt người ta đã vận dụng và sáng tạo thêm để phục vụ cho đời sống của con người. Cùng với sự phát triển của ngành mỏ than và ngành luyện thép mà công nghệ chế tạo máy móc của nước Anh phát triển nở rộ và trở thành đầu tầu thúc đẩy nhiều quốc gia khác như Pháp, Đức, Italia... cùng phát triển theo.

Các máy công cụ ra đời giúp cho con người sản xuất được hàng loạt xilanh, pittông, khung máy, ốc vít, bàn tiện, bàn ren. Nhờ đó, ngành cơ khí lắp ráp được hàng loạt máy móc riêng lẻ, máy móc thay thế dần lao động chân tay. Vào năm 1800, tầu biển chạy bằng hơi nước được chế tạo thành công. Đây cũng là cuộc cách mạng ngành hàng hải.
_ Năm 1801, ngành công nghiệp cơ khí có thêm một phát minh mới của Jaka là áp dụng phiếu đục lỗ, thông qua các phiếu đục lỗ đã được lập trình mà máy móc phải hoạt động theo các lỗ đã lập trình sẵn đó. Phát minh này tuy còn sơ khai, nhưng có ý nghĩa mở đường cho hướng tự động hóa trong ngành cơ khí kể từ đó.
_ Năm 1805, động cơ hơi nước công suất lớn do kỹ sư Tri-oai chế tạo, mở ra triển vọng lớn cho ngành giao thông vận tải. Năm 1815, Laenec phát minh ra ống nghe và ngay sau đó ngành cơ khí sản xuất thiết bị cho ngành ytế, bắt đầu phát triển mà khởi đầu là sản xuất hàng loạt ống nghe cho bác sĩ ở khắp châu Âu để chuẩn đoán bệnh.
_ Năm 1820, Niepse phát minh ra máy chụp ảnh, mở đường cho ngành cơ khí chính xác và quang học phát triển. Chẳng bao lâu sau, nó đã đưa ra thị trường với hàng loạt máy chụp ảnh phục vụ cho nhu cầu xã hội.
_ Năm 1929, nhờ có loại động cơ hơi nước công suất lớn, người ta đã chế tạo ra chiếc đầu tầu xe lửa đầu tiên (xem hình 2), đánh dấu bước khởi đầu cho cuộc cách mạng trong ngành giao thông đường bộ. Cũng phải nói thêm rằng, mới đầu, chiếc xe lửa này được chạy trên đường bộ và phải có một người đàn ông khoẻ mạnh chạy trước đầu tầu để hô hoán, dẹp đường, báo cho khách bộ hành tránh xa để xe chạy. Do sự phiền phức và an toàn như vậy nên chỉ ít lâu sau loại “đầu tầu xe hỏa chạy bằng động cơ hơi nước đi trên đường bộ” phải đình chỉ hoạt động. Sự cấm đoán này của nhà đương cục làm nảy sinh ra ý tưởng kỹ thuật mới: cho tầu hỏa chạy trên đường ray (nay nghe có vẻ đơn giản làm vậy, nhưng cách đây gần 250 năm, nó là một ý tưởng kỹ thuật táo bạo). Thế là chẳng bao lâu sau, chiếc xe hỏa đầu tiên chạy trên đường ray ra đời, nối hai thành phố của Anh là Daclinton và Stocton lại với nhau, mang đến tràn ngập niềm vui cho dân chúng của hai thành phố này.

Có được những thành quả khởi đầu tốt đẹp là nhờ sự ra đời đúng lúc của máy hơi nước do J.Watt sáng chế ra. Cũng phải nói thêm rằng, J.Watt, khi sáng tạo ra nó chỉ là nhờ những khái niệm mang tính trực giác, mà chưa hề biết đến quy luật nhiệt động học để hướng dẫn công việc của mình. Nhưng, dựa trên nguyên lý đó, cộng với sự phát triển của khoa học “nhiệt động học” và ngành cơ khí phát triển của nước Anh, chẳng bao lâu, người ta đã chế tạo ra những động cơ cực lớn, để năm 1830, (chiếc tầu thuỷ chạy bằng hơi nước công suất lớn lần đầu tiên ra đời. Ngay sau đó, nó đã lập được kỷ lục: Vượt Đại Tây Dương đi từ châu Âu sang châu Mỹ. Ngành cơ khí đóng tầu còn có thêm một sáng tạo đáng nhớ nữa, đó là năm 1810 đã chế tạo thành công chiếc chân vịt đầu tiên để thay thế bánh lái và con tầu vượt đại dương đầu tiên đã được áp dụng kỹ thuật này.

Động cơ hơi nước hay máy hơi nước là một loại động cơ nhiệt đốt ngoài sử dụng nhiệt năng của hơi nước, chuyển năng lượng này thành công năng.

Các động cơ hơi nước đầu tiên được sử dụng như là bộ phận chuyển động sơ cấp của bơm, đầu máy tàu hỏa, tàu thủy hơi nước, máy cày, xe tải và các loại xe cơ giới chạy trên đường bộ khác và là nền tảng cơ bản nhất cho Cách mạng công nghiệp. Các tuốc bin hơi nước, về mặt kỹ thuật cũng là một loại động cơ hơi nước, ngày nay đang được sử dụng rộng rãi cho máy phát điện nhưng các loại cũ hơn hầu như được thay thế bằng động cơ đốt trong và động cơ điện.

Một động cơ hơi nước cần một nồi hơi súp de để đun nước sôi tạo hơi. Việc giãn nở của hơi tạo một lực đẩy lên piston hay các cánh tuốc bin và chuyển động thẳng được chuyển thành chuyển động quay để quay bánh xe hay truyền động cho các bộ phận cơ khí khác. Một trong những lợi thế của động cơ hơi nước là nó có thể sử dụng bất cứ nguồn nhiệt nào để đun nồi hơi nhưng các loại nguồn nhiệt thông dụng nhất là đun củi, than đá hay dầu hay sử dụng hơi nhiệt năng thu được từ lò phản ứng hạt nhân.