증기 기관: 뉴커먼과 와트

1769년 1월 5일 특허를 받은 제임스 와트의 분리 응축기 덕분에, 증기 기관은 같은 일을 하면서 석탄을 약 3분의 2나 덜 태우게 되었습니다.

광산에 차오르는 물

1700년 무렵 영국은 점점 더 많은 석탄을 태우고 있었습니다. 그런데 땅 가까이에 있던 캐기 쉬운 탄층은 바닥나 가고 있었습니다. 그래서 더 깊이 판 광산에는 물이 차올랐고, 말을 부려 그 물을 퍼내는 일은 느리고 돈이 많이 들었습니다. 그보다 앞선 1698년에 토머스 세이버리는 「광부의 친구」라고 이름 붙인 증기 펌프로 특허를 받았습니다. 하지만 이 펌프는 물을 그리 높이 끌어 올리지 못했고, 보일러도 터질 수 있어 위험했습니다. 더 나은 방법을 찾아낸 사람은 데번 다트머스의 철물상 토머스 뉴커먼이었습니다. 1712년 뉴커먼은 동업자 존 콜리와 함께 증기 기관 하나를 만들어 세웠습니다. 웨스트미들랜즈의 더들리 근처에 있던 코니그리 탄광에서 물을 퍼 올리는 기관이었습니다. 오늘날 이 기관은 이런 종류의 증기 기관 가운데 처음으로 성공한 것으로 널리 인정받습니다. 그리고 지금은 같은 땅에 있는 블랙 컨트리 생활 박물관에서, 실물 크기로 다시 만든 복제품이 실제로 움직이고 있습니다.

뉴커먼 기관이 움직이는 원리

뉴커먼 기관은 증기가 미는 힘이 아니라 공기의 무게를 이용했습니다. 먼저 보일러에서 나온 낮은 압력의 증기가 피스톤 아래에 있는 커다란 실린더를 채웠습니다. 그다음 실린더 안으로 찬물을 한 줄기 뿜어 넣었습니다. 그러면 증기는 식어서 물 몇 방울로 응축되었고, 실린더 안에는 부분 진공이 남았습니다. 그러자 실린더 바깥의 대기압이 피스톤을 아래로 눌렀습니다. 피스톤은 아주 큰 나무 빔의 한쪽 끝에 사슬로 이어져 있었습니다. 그래서 피스톤이 내려가면 빔의 반대쪽 끝이 올라가면서, 갱도 속에 있는 펌프 막대를 들어 올렸습니다. 그런 다음 다시 증기를 넣으면 펌프 막대의 무게가 빔을 원래 자리로 당겨 되돌렸습니다. 이 과정이 1분에 열두 번쯤 쉬지 않고 되풀이되었습니다. 또 증기의 압력이 아주 낮았기 때문에 보일러가 터질 위험은 거의 없었습니다. 뉴커먼이 세상을 떠날 무렵에는 잉글랜드에 그의 기관이 100대 넘게 있었고, 유럽의 다른 나라에도 몇 대가 있었습니다.

와트가 본 문제

제임스 와트는 수학 기구를 만드는 사람이었고, 글래스고 대학교 안에 작업장을 두고 있었습니다. 그리고 그곳에서 화학자 조지프 블랙이 그의 친구이자 스승이 되었습니다. 1763년에서 1764년으로 넘어가는 겨울, 와트는 대학이 가진 작은 뉴커먼 기관 모형을 고쳐 달라는 부탁을 받았습니다. 이 모형은 제대로 돌지 않고 자꾸 멈춰 말썽을 부렸습니다. 와트는 그 원인을 찾다가, 증기가 가진 열의 약 80퍼센트가 실린더를 다시 데우는 데에만 쓰인다는 것을 알아냈습니다. 찬물을 뿌릴 때마다 실린더가 식어 버렸기 때문입니다. 그가 1765년까지 찾아낸 답은, 증기를 실린더가 아닌 다른 곳에서 응축시키는 것이었습니다. 그래서 늘 차갑게 유지하는 분리 응축기를 실린더 밖에 따로 두고, 이것을 관으로 실린더와 이었습니다. 이 응축기가 증기를 빨아내 물로 바꾸는 동안, 실린더 자체는 뜨거운 채로 남았습니다. 1769년 1월 5일 와트는 「화력 기관에서 증기와 연료의 소비를 줄이는 새로운 방법」으로 특허를 받았습니다. 런던의 사이언스 뮤지엄은 이것을 증기 기관에 더해진 가장 큰 단 하나의 개선이라고 부릅니다.

볼턴과 와트

모형을 실제로 일하는 기관으로 바꾸는 데에는 여러 해의 시간과 많은 돈이 들었습니다. 1774년 와트는 글래스고를 떠나 버밍엄으로 옮겼고, 1775년에는 제조업자 매슈 볼턴과 동업을 시작했습니다. 볼턴의 소호 공장에는 와트에게 꼭 필요한 숙련된 철공들이 있었습니다. 두 사람이 만든 첫 볼턴·와트 기관은 1776년에 일을 시작했습니다. 하나는 팁턴 근처의 탄광에서 물을 퍼 올렸고, 다른 하나는 브로즐리에 있던 존 윌킨슨의 제철소에서 바람을 불어 넣었습니다. 1777년부터는 이 기관이 콘월의 구리 광산과 주석 광산에 많이 팔려 나갔습니다. 그곳은 석탄값이 비싸서 연료를 아끼는 일이 무엇보다 중요했습니다. 와트의 응축기를 단 기관은 뉴커먼 기관보다 석탄을 약 3분의 2나 덜 태웠습니다. 그 뒤 와트는 빔이 위아래로 오르내리는 움직임을 회전 운동으로 바꾸는 장치를 고안했습니다. 그래서 기관은 펌프를 움직이는 데 그치지 않고 방적 공장과 양조장, 제철소의 기계도 돌릴 수 있게 되었습니다. 와트의 이 특허는 1800년까지 효력이 이어졌습니다. 그리고 특허가 끝나자 다른 제작자들이 앞다투어 분리 응축기를 쓰기 시작했습니다. 오늘날 일률의 단위인 와트(W)는 그의 이름에서 왔습니다.