Khi nhắc đến máy hơi nước, hầu như ai cũng nghĩ ngay đến James Watt. Nhưng sự thật thú vị là Watt không phải là người đầu tiên làm ra máy hơi nước — máy của ông ra đời sau máy của Thomas Newcomen hơn nửa thế kỷ. Điều Watt làm được còn quan trọng hơn một phát minh từ con số không: ông nhìn ra điểm lãng phí lớn nhất của máy cũ và sửa đúng chỗ đó, biến một cỗ máy cồng kềnh, ngốn than chỉ dùng được trong mỏ thành động lực của cả một thời đại công nghiệp.

Trước Watt: máy Newcomen và bài toán than đá

Đầu thế kỷ 18, các mỏ than ở Anh ngày càng đào sâu, và nước ngầm tràn vào mỏ là vấn đề sống còn. Năm 1712, Thomas Newcomen chế tạo máy bơm chạy bằng hơi nước: hơi nước được bơm vào một xi-lanh, rồi phun nước lạnh vào làm hơi ngưng tụ, tạo chân không kéo piston xuống, và chuyển động đó vận hành bơm hút nước khỏi mỏ. Máy Newcomen hoạt động được, nhưng cực kỳ tốn than: vì xi-lanh vừa phải nóng để nhận hơi, vừa phải lạnh để ngưng tụ, mỗi chu trình đều phải đun nóng rồi làm nguội cùng một khối kim loại nặng. Phần lớn than đốt chỉ để… hâm nóng lại xi-lanh.

Watt, khi đó là thợ sửa dụng cụ khoa học tại Đại học Glasgow, được giao sửa một mô hình máy Newcomen nhỏ vào khoảng năm 1764. Ông nhận ra ngay vấn đề: mô hình tiêu thụ một lượng hơi nước khổng lồ so với công việc nó làm được, và nguyên nhân nằm ở việc làm nóng-làm lạnh xi-lanh liên tục. Giải pháp của ông, nảy ra trong một lần đi dạo năm 1765, đơn giản mà thiên tài: tách riêng việc ngưng tụ ra khỏi xi-lanh. Hơi nước sau khi đẩy piston sẽ được dẫn sang một bình ngưng riêng, luôn giữ lạnh, trong khi xi-lanh luôn giữ nóng. Nhờ đó, máy không còn phải đun đi đun lại cùng một khối kim loại trong mỗi chu trình.

Nguyên lý hoạt động: tách nóng và lạnh

Máy hơi nước của Watt vẫn dùng nguyên lý cơ bản: đốt than đun nước thành hơi, hơi nước giãn nở đẩy piston, piston truyền động qua tay đòn và bánh đà thành chuyển động quay hoặc bơm. Điểm khác biệt nằm ở bình ngưng riêng và sau đó là xi-lanh hai tác động (hơi đẩy piston cả hai chiều) cùng bộ điều tốc ly tâm tự giữ tốc độ ổn định khi tải thay đổi. Kết quả là máy Watt tiêu thụ chỉ khoảng một phần tư lượng than so với máy Newcomen cho cùng một công việc — một mức tiết kiệm đủ lớn để máy hơi nước trở nên kinh tế ở bất kỳ đâu, không chỉ ở miệng mỏ than nơi than rẻ như cho.

Watt đăng ký bằng sáng chế cho bình ngưng riêng năm 1769, và cùng đối tác Matthew Boulton thành lập xưởng Soho ở Birmingham để sản xuất máy. Boulton lo phần kinh doanh, Watt lo kỹ thuật — một mô hình hợp tác kỹ sư-doanh nhân mà sau này trở thành khuôn mẫu của cách mạng công nghiệp.

Tác động: nhà máy rời khỏi bờ sông

Trước máy hơi nước hiệu quả, nhà máy chỉ có thể đặt bên sông để dùng sức nước, và sản xuất bị giới hạn bởi địa lý. Máy Watt giải phóng nhà máy khỏi bờ sông: chỉ cần than và nước, nhà máy có thể đặt ở bất kỳ đâu, gần thành phố, gần thị trường, gần nguồn lao động. Dệt may, luyện kim, khai mỏ, rồi giao thông — tàu hơi nước, đầu máy xe lửa — đều đứng trên vai máy hơi nước. Năng suất lao động tăng vọt, hàng hóa rẻ đi, dân số đổ về thành phố làm việc trong nhà máy, và nước Anh trở thành "công xưởng của thế giới" trong thế kỷ 19.

Tất nhiên, mặt trái cũng rõ ràng: điều kiện làm việc trong nhà máy đầu tiên rất khắc nghiệt, trẻ em làm việc nhiều giờ, và việc đốt than quy mô lớn bắt đầu thời đại ô nhiễm không khí và, về lâu dài, biến đổi khí hậu. Máy hơi nước vừa là động cơ của thịnh vượng, vừa là khởi đầu của những vấn đề môi trường mà nhân loại vẫn đang giải quyết.

Sự thật thú vị ít người biết

  • Đơn vị công suất "mã lực" (horsepower) do chính Watt nghĩ ra để bán máy: ông tính rằng một con ngựa kéo trung bình nâng được 33.000 pound lên cao 1 foot trong một phút, và dùng con số đó để nói với khách hàng rằng máy của ông bằng bao nhiêu con ngựa.
  • Watt từng bị ám ảnh bởi ý tưởng bình ngưng riêng đến mức ông kể lại rằng nó chợt đến trong một buổi đi dạo chiều Chủ nhật, khi ông đi ngang qua sân golf ở Glasgow.
  • Tên của Watt ngày nay còn sống trong đơn vị "watt" đo công suất điện — một vinh danh hiếm hoi dành cho một kỹ sư.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "James Watt phát minh ra máy hơi nước." Máy hơi nước đầu tiên dùng trong thực tế là của Newcomen (1712), trước Watt hơn 50 năm. Watt cải tiến nó một cách quyết định bằng bình ngưng riêng, nhưng ông đứng trên vai những người đi trước — đúng như mọi phát minh lớn khác.

Hiểu lầm: "Máy hơi nước chỉ dùng để chạy tàu hỏa và tàu thủy." Ứng dụng đầu tiên và quan trọng nhất của nó là bơm nước khỏi mỏ và chạy máy móc trong nhà máy. Tàu hỏa và tàu thủy hơi nước đến sau, khi máy đã đủ nhỏ, đủ mạnh và đủ tin cậy để mang theo bên mình.

Nguồn tham khảo