제임스 와트는 무엇을 발명했을까? 증기기관을 바꾼 '분리 응축기' 이야기

제임스 와트(1736–1819)가 증기기관을 발명했다고 배운 사람이 많지만, 정확히 말하면 그는 증기기관을 '쓸 만한 기계'로 바꾼 사람이다. 그의 핵심 발명은 분리 응축기다. 1765년 와트는 증기를 식혀 물로 되돌리는 일을 별도의 방에서 하면 주 실린더를 늘 뜨겁게 유지할 수 있다는 사실을 깨달았다. 이후 회전 운동을 만드는 톱니바퀴, 복동식 실린더, 평행 운동 장치, 원심 조속기를 더해 기존 뉴커먼 기관보다 연료 효율이 최대 다섯 배쯤 좋은 기관을 완성했다. 전구와 가전제품에 적힌 'W(와트)'가 바로 그의 이름이다.

항구 도시의 손재주 좋은 소년

와트는 1736년 1월 19일 스코틀랜드의 항구 도시 그리녹에서 태어났다. 아버지는 배를 만드는 목수이자 선주였고, 어머니가 집에서 글을 가르쳤으며, 학교에서는 수학을 특히 잘했다. 런던에서 1년간 정밀 기구 제작을 배운 뒤 글래스고로 돌아왔고, 1757년 글래스고 대학 안에 작업실을 차렸다. 그곳에서 화학자 조지프 블랙, 경제학자 애덤 스미스와 친구가 되었다.

고장 난 모형에서 시작된 발명

당시 증기기관은 1712년에 등장한 뉴커먼의 '대기압 기관'으로, 주로 광산에서 물을 퍼내는 데 쓰였다. 실린더에 증기를 채운 뒤 찬물을 뿌려 증기를 물로 바꾸면 안쪽 압력이 떨어지고, 바깥 공기가 피스톤을 눌러 내리는 방식이었다.

1763년 와트는 대학이 가진 뉴커먼 기관 모형을 고쳐 달라는 부탁을 받았다. 살펴보니 증기가 가진 열의 약 4분의 3이 찬물에 식은 실린더를 매번 다시 데우는 데 낭비되고 있었다. 오븐을 달군 다음 얼음을 넣고, 다시 달구기를 1분에 몇 번씩 되풀이하는 셈이었다.

공원 산책길의 깨달음

해결책은 1765년 5월, 글래스고 그린이라는 공원을 걷던 중에 떠올랐다고 한다. 증기를 식히는 방을 따로 두고, 실린더는 '증기 재킷'으로 감싸 항상 뜨겁게 유지하는 것이다. 그해 안에 작동하는 모형도 만들었다. 개량형은 같은 힘을 내는 데 석탄이 절반쯤만 들었고, 완성된 기관은 비슷한 뉴커먼 기관보다 연료를 약 75% 덜 썼다.

참고로 '어린 와트가 주전자 뚜껑이 들썩이는 것을 보고 영감을 얻었다'는 이야기는 판본이 여럿이라 지어낸 일화일 가능성이 크다. 다만 와트가 실험에서 주전자를 보일러 대신 썼다는 기록은 남아 있다.

볼턴과 함께 사업으로

분리 응축기 특허는 1769년 1월 5일 인정받았지만, 첫 후원자 존 로벅이 파산하면서 일이 멈췄다. 버밍엄의 사업가 매슈 볼턴이 특허권을 넘겨받았고, 1775년 '볼턴 앤드 와트' 회사가 세워졌다. 같은 해 의회 법률로 특허는 1800년까지 연장되었다. 1776년 첫 기관들이 가동되었고 상당수는 콘월 광산의 배수에 쓰였다. 고객은 뉴커먼 기관 대비 아낀 석탄 값의 3분의 1을 해마다 냈다.

공장의 바퀴를 돌리다

1781년 와트는 '태양-행성 톱니바퀴'로 위아래 운동을 회전 운동으로 바꿔 공장 기계를 돌릴 수 있게 했다. 1784년 특허를 받은 평행 운동 장치는 그가 가장 아낀 발명이었고, 1788년에는 기관이 폭주하지 않도록 원심 조속기를 붙였다. 기관의 힘을 말과 비교하는 '마력' 개념을 들여온 것도 와트다. 1780년에는 편지 복사 방식으로 특허를 받았는데, 이 복사기는 20세기까지 사무실에서 쓰였다.

흥미롭게도 이 위대한 발명가는 장사 흥정을 몹시 싫어했다. 1772년에는 셈을 치르거나 흥정을 하느니 장전된 대포 앞에 서는 편이 낫다고 적었다. 그래서 경영에 능한 볼턴은 그에게 꼭 필요한 짝이었다. 한 사람은 기계를 잘 만들고, 다른 한 사람은 그 기계를 잘 팔았다.

만년과 '와트'라는 단위

와트는 특허와 동업이 끝난 1800년에 은퇴했고, 1819년 8월 25일 버밍엄 근처 히스필드 홀에서 83세로 세상을 떠났다. 1889년 영국 과학진흥협회가 일률의 단위로 '와트'를 채택했고, 1960년 국제단위계(SI)의 공식 단위가 되었다.

와트와 함께 배우는 한국어 표현

표현	뜻	예문
개량하다	원래 있던 것을 더 좋게 고치다	와트는 증기기관을 개량했다.
아이디어가 떠오르다	좋은 생각이 갑자기 나다	산책하다가 아이디어가 떠올랐다.
낭비를 줄이다	쓸데없이 쓰는 것을 줄이다	공부 시간의 낭비를 줄이고 싶다.
손재주가 좋다	손으로 만드는 일을 잘하다	그는 어릴 때부터 손재주가 좋았다.
이름을 남기다	후대까지 이름이 알려지다	와트는 과학사에 이름을 남겼다.

연습: 와트처럼 '이미 있는 것을 더 낫게 만드는' 관점에서, 내 공부 방법을 어떻게 바꿀지 '개량하다', '낭비를 줄이다'를 넣어 한국어 문장 세 개를 써 보자.