Watts jugendlicher Freund Robison hatte die Aufmerksamkeit des Erfinders zum ersten Male auf die Dampfmaschine gelenkt, als er ihm vorschlug, die in Newcomenschen Maschinen bereits so erfolgreich verwertete Dampfkraft zur Bewegung von Wagen heranzuziehen. Das ist nach Watts eigner Angabe 1759, vielleicht oder schon etwas früher gewesen. Sobald seine Geschäfte es ihm wieder erlaubten, befaßte er sich mit Versuchen, indem er auf einen Papinschen Digestor oder Kochtopf eine Röhre mit beweglichem Kolben aufsetzte, den hochgespannten Dampf durch eine verschließbare Öffnung in diese Röhre treten und darin den ziemlich belasteten Kolben hochschieben ließ. In dieser Richtung auf eine Dampfmaschine hinzuarbeiten, gab er aber auf, als ihm klar wurde, daß genügende Dichtung nicht zu erreichen und die Explosionsgefahr zu groß war. Jedenfalls aber sah er sich bereits in der Literatur über Dampfmaschinen um, zumal, als ihm 1763 von der Universität der Auftrag wurde, das Modell einer Newcomenschen Maschine ([Abb. 12]) wieder instand zu setzen. Diesen Auftrag hatte Watt vielleicht selbst durch Vermittlung des ihm befreundeten Professors Anderson herbeigeführt, als ihm bekannt wurde, daß dies Modell vorhanden war und sich bei einem Londoner Mechaniker zur Ausbesserung befand, ohne dort in Angriff genommen zu werden. Watt studierte fleißig die Werke von Desaguliers und Belidor über die Geschichte der Dampfmaschine. Nachdem er jenes Modell vom mechanischen Standpunkt aus völlig instand gesetzt hatte, fand er, daß trotz des großen Kessels nicht genügend Dampf erzeugt wurde, um einen Hub zu erzielen, dabei war der Dampfkessel im Gegensatz zu den wirklichen Maschinen sogar unverhältnismäßig groß. Dies setzte Watt in nicht geringes Erstaunen. Wo lag der Grund, daß im kleinen trotz verhältnismäßig größeren Kessels der Apparat nicht arbeitete? Watt stellte Versuche an, ob vielleicht das ungünstige Verhältnis der Gesamtoberfläche des Zylinders zum Zylinderinhalt schuld trüge. Er stellte sich ferner Zylinder aus anderm Material, aus Eisen und Holz statt aus Bronze her, woraus der Zylinder des Modells gemacht war. Vielleicht waren die Wärmeleitungsverhältnisse dieser Stoffe entscheidend? Aber alle diese Versuche führten zu keinem befriedigenden Ergebnis. Was er da fand, stand in schwer vereinbarem Gegensatz zu den Tatsachen bei großen Maschinen. Erzielte er durch stärkere Kühlwassereinspritzung ein schnelleres, größeres und kräftigeres Vakuum, so bedurfte es gleich hinterher wieder viel mehr Dampfes, da die Abkühlung der Zylinderwände größer geworden war und nunmehr ein Teil des Dampfes seiner Elastizität durch die größere Abkühlung verlustig ging. Auch ward es Watt offenbar, daß bei minder starker Abkühlung im Vakuum ein Teil des Einspritzwassers unter dem niedrigeren Druck schneller verdampfte als unter Atmosphärendruck.
Abb. 12. Modell einer atmosphärischen Maschine (Newcomenmaschine) um 1750, wie es Watt zur Instandsetzung übergeben wurde.
Es half nichts. Wollte der junge Mechaniker eine auf Maß, Zahl und Gewicht zurückgeführte Klarheit über diese Verhältnisse gewinnen, so mußte untersucht werden, bei welchen Temperaturen Wasser unter größeren als atmosphärischen Drucken kocht, mußte festgestellt werden, welche Menge Dampfes sich aus einer bestimmten Menge Wassers entwickelt, mußte erforscht werden, wieviel Wärme der Dampf an Wasser abgibt, wenn er dessen Wärme auf seine eigene Temperatur erhöht.
Als Arago, ein französischer Physiker, der das Leben Watts im Rahmen eines Akademievortrages behandelte, diese von Watt noch vor seiner Haupterfindung angestellten Untersuchungen aufzählte, kam er zu dem Schlusse, das sei Stoff genug gewesen, das Leben eines fleißigen Naturforschers auszufüllen, und damit dürfte er nicht so unrecht haben. Aber wie einfach waren die Mittel, mit denen Watt seine Untersuchungen machte! Nicht einmal ein Laboratorium stand ihm zur Verfügung, und doch gelangte er zu Ergebnissen, die ein halbes Jahrhundert später mit weitaus besseren Mitteln nicht wesentlich genauer erzielt wurden. Er untersuchte das Verhältnis, in dem bei wachsenden Temperaturen die Spannungen des Wasserdampfes zunehmen. Die Werte der Temperaturen trug er als Abszissen, der Spannungen als Ordinaten in ein Koordinatensystem ein und fand, daß die Temperaturen im arithmetischen, die Spannungen im geometrischen Verhältnis zunehmen. In dem Werke Desaguliers stieß er bei der Berechnung, welches Quantum Dampf einer bestimmten Menge Wassers bei Atmosphärendruck entspricht, auf einen groben Rechenfehler. Das ermutigte ihn, diese Frage noch einmal zu untersuchen. In einen Glaskolben füllte er eine geringe Menge Wassers und befestigte in der Mündung eine beiderseits offene, unten bis auf das Wasser reichende Glasröhre, so daß Luft aus diesem Gefäße nur durch die Röhre entweichen konnte. Das Gefäß wurde dann in einem Ofen so erhitzt, daß das Wasser darin verdampfte. Der aufsteigende Dampf riß an Luft alles, was nicht schon infolge der Wärme entwichen war, mit sich zur Röhre hinaus. Als der letzte Wassertropfen verdampft war, wurde die Glasröhre geschlossen, das Gefäß aus dem Ofen genommen, und ein kalter Luftstrom gegen eine Stelle des Gefäßes gerichtet, damit sich der darin befindliche Dampf verdichte. Abwiegen des Gefäßes mit und ohne den jetzigen Inhalt, weiter des gänzlich ausgetrockneten und danach des mit Wasser ganz gefüllten Gefäßes ergab die Werte, aus denen Watt berechnete, daß ein bestimmtes Wasserquantum bei Verwandlung in Dampf von der Temperatur des siedenden Wassers sich auf das Achtzehnhundertfache seines Rauminhalts ausdehnt. Es war Watt aufgefallen, daß eine verhältnismäßig sehr große Menge Einspritzwassers durch die Dampffüllung des Zylinders, die aus einer sehr viel geringeren Menge Wassers herrührte, so stark erwärmt wurde. Um die Sache genauer zu untersuchen, stellte er Wasser in einem gegen Wärmeverluste geschützten Behälter neben einen Teekessel, in dem Wasser verdampft wurde. Der ausströmende Dampf wurde so lange durch eine erst wagrecht, dann senkrecht verlaufende Glasröhre in den Wasserbehälter geleitet, bis das Wasser darin fast kochte, d. h. aufhörte, noch länger Dampf zu verdichten. Beim Wiegen fand sich, daß das erwärmte Wasser, das den ausströmenden Dampf aufgenommen hatte, sich um ⅙ seines Gewichtes vermehrt hatte. Watt folgerte, daß Wasser, in Dampf verwandelt, sechsmal sein eignes Gewicht Brunnenwassers zur Siedehitze bringe. Damit war Watt für seine Person selbständig zur Entdeckung der latenten Wärme gelangt, und er wurde nicht wenig überrascht, daß der ihm befreundete Dr. Black, ein Mediziner an der Glasgower Universität, dem er seine Resultate mitteilte, schon früher zur Entdeckung dieser Tatsachen gelangt war. Black hatte gefunden, daß eine bestimmte Gewichtsmenge Eis von 0° C in einer gleichen Gewichtsmenge Wassers von 80° C schmilzt und daß die Temperatur der beiden Gewichtsmengen flüssigen Wassers 0 ist, während eine Gewichtsmenge Wassers von 0° C, mit gleicher Gewichtsmenge Wassers von 80° C gemischt, eine gemeinsame Temperatur von 40° C ergibt. Er schloß daraus, es müßte die aus dem Eise hervorgegangene Wassermenge 80° C Wärme in sich aufgenommen haben, ohne daß diese verborgene (latente) Wärme für unsere Instrumente unmittelbar meßbar wäre. Wenn Watt nun feststellte, daß verdampftes Wasser das Sechsfache seines eignen Gewichtes an Brunnenwasser auf Siedehitze bringen könne, so war diese Temperaturerhöhung auch nur möglich dank der im Dampf latenten, mit dem Thermometer nicht meßbaren Wärme.
An Wasserstandsgläsern, die Watt statt der Probierhähne bei den Dampfkesseln einführte, konnte er jederzeit ablesen, wieviel Wasser verdampft war. Er konnte also auch feststellen, wievielmal eine bestimmte Menge Wassers den Zylinder mit Dampf füllte. Den Schluß, den er nun aus allen diesen mehrfach abgeänderten Versuchen und Feststellungen zog, hätte er vielleicht auch ohne sie gewinnen können. Es ist nicht abzusehen, warum der Gedanke, die Dampfkondensation in einen besonderen Raum abseits vom Zylinder zu verlegen, nicht hätte auftauchen können, nachdem man sich einmal klar geworden war, daß die abwechselnde Erhitzung und Abkühlung des Zylinders überflüssigerweise viel Brennstoff vertat. Dergleichen läßt sich aber nur hinterher leicht sagen. Gerade die zahlenmäßigen Feststellungen gaben Watt erst recht deutliche Vorstellungen, erhöhten sein Erstaunen und schärften sein Nachdenken, wie der Brennstoffverschwendung abzuhelfen sei.
Helmholtz schilderte einmal in einer Tischrede, wie ihm am besten und ehesten erlösende Gedanken kämen, wenn er wochenlang der gleichen Sache nachging und sie auf Spaziergängen in sonniger, bergiger Landschaft mit sich herumtrüge. Nietzsche schuf unter ähnlichen Umständen seinen Zarathustra. Watt hat sich auf eine Anfrage Harts über das erstmalige Aufblitzen der erlösenden Idee, nämlich des getrennten Dampfverdichtungsraumes, folgendermaßen geäußert: »Eines Sonntagnachmittags hatte ich im Glasgower Grün einen Spaziergang unternommen: als ich halbwegs zwischen Hirts Haus und Arns Brunnen war und meine Gedanken sich natürlicherweise mit jenen Experimenten beschäftigten, die ich gerade anstellte, um Wärme im Zylinder zu sparen, so kam mir eben auf jener Wegstrecke der Gedanke in den Sinn, daß, weil Dampf ein elastischer Dunst (Vapour) war, er sich ausdehnen und in einen vorher luftleer gemachten Raum stürzen würde; und daß, wenn ich einen luftverdünnten Raum in einem getrennten Gefäß herstellen würde, dazu auch eine Verbindung zwischen dem Dampf im Zylinder und dem luftleer gemachten Gefäß, jene Folge eintreten müßte.« Es war im Anfang des Jahres 1765, daß Watt diese nachträglich so selbstverständlich erscheinende Idee faßte. Mit ihr zugleich ergaben sich binnen zwei Tagen alle übrigen Erfindungen zur Verbesserung der Dampfmaschine gewissermaßen nur als Ergänzungen und von selbst. Die Entfernung des Einspritz- und Kondensationswassers sowie der mit dem Wasser eingedrungenen Luft mußte durch Pumpen erfolgen. Die Dichtung des Kolbens in der Newcomenmaschine durch eine auf der oberen Kolbenfläche ruhende, immer neu ergänzte Wasserschicht vertrug sich nicht mit dem neuen Prinzip, den Zylinder andauernd so heiß als möglich zu erhalten. Das Wasser über dem Kolben wäre verdampft oder hätte den Zylinder gekühlt. Andre Dichtungsmittel, Wachs, Talg, Fett, Dung, mußten somit erprobt werden. Auch die Luft über dem Kolben konnte in dem oben offenen Newcomenschen Zylinder dessen Temperatur erniedrigen. Also war der Zylinder oben zu schließen. Die Kolbenstange mußte durch ein Loch des Deckels, durch eine Stopfbüchse, durchgehen. Dann ließ sich aber auch der Dampf über den Kolben leiten und dazu verwenden, den Druck der atmosphärischen Luft zu ersetzen und den Kolben herabzudrücken. Um nun auch von außerhalb des Zylinders die Kühlung durch umgebende Luft zu verhindern, mußte der Zylinder von einem Mantel umgeben werden, der Wärme nach außen nicht abgab und weit genug vom Zylinder abstand, damit zwischen Mantel und Zylinderwandung Dampf eintreten konnte, der die Temperatur innerhalb des Zylinders gleichmäßig erhielt. Alle diese Verbesserungen ergaben sich, wie Watt selbst schreibt, in einem oder zwei Tagen ungezwungen aus der einzigen, so fruchtbaren Idee vom getrennten Kondensator. Und nun machte sich Watt an die experimentelle Prüfung, um auch hier wieder zu zeigen, mit wie geringen Mitteln das Genie Großes leistet.