一壺水開了，蒸汽把壺蓋衝得噗噗直響。這在常人眼裡司空見慣的現象，卻引起了一個叫瓦特的英國小男孩的興趣。他在爐子旁足足呆了幾個小時，目不轉睛地凝視著翻動不止的壺蓋和不斷冒出的蒸汽，苦苦思索著其中的奧妙。這一思索不要緊，它誘發了後來世界上一項最偉大的發明，對人類歷史產生了劃時代的影響。
1736年，瓦特出生在英國蘇格蘭格拉斯哥市附近的一個小鎮格裡諾克，他的父親是一個經驗豐富的木匠，祖父和叔父都是機械工匠。少年時代的瓦特，由於家境貧苦和體弱多病，沒有受到完整的正規教育。他曾經就讀于格裡諾克的文法學校，數學成績特別優秀，但沒有畢業就退學了。但是，他在父母的教導下，一直堅持自學，很早就對物理和數學產生了興趣。瓦特從6歲開始學習幾何學，到15歲時就學完了《物理學原理》等書籍。他常常自己動手修理和製作起重機、滑車和一些航海器械。1753年，瓦特到格拉斯哥市當徒工。由於收入過低不能維持生活，第二年他又到倫敦的一家儀表修理廠當徒工。憑藉著自己的勤奮好學，他很快學會了製造那些難度較高的儀器。但是繁重的勞動和艱苦的生活損害了他的健康，一年後，他不得不回家休養。一年的學徒生活使他飽嘗辛酸，也使他練就了精湛的手藝，培養了他堅韌的個性。
1756年，當他的身體稍有好轉，瓦特再次踏上了坎坷的道路來到格拉斯哥市。他想當一名修造儀器的工人，但是因為他的手藝沒有滿師，當時的行會不允許。幸運的是，瓦特的才能引起了格拉斯哥大學教授臺克的重視。在他的介紹下，瓦特進入格拉斯哥大學當了教學儀器的工人。這所學校擁有當時較為完善的儀器設備，這使瓦特在修理儀器時認識了先進的技術，開闊了眼界。這時，他對以蒸汽作動力的機械產生了濃厚的興趣，開始收集有關資料，還為此學會了義大利文和德文。在大學裡，他認識了化學家約瑟夫·布萊克和約翰·魯賓遜等。瓦特從他們那裡學到了很多科學理論知識。
瓦特在大學修理儀器期間，學校曾經把一臺舊式的紐可門蒸汽機交給他修理。他通過大量實驗以及根據格拉斯哥大學教授布萊克提出的潛熱、比熱理論進行分析，對舊式蒸汽機進行深入研究，找出了舊式機器效率低的主要原因。針對舊式蒸汽機的缺陷，瓦特提出了減少蒸汽消耗，提高熱機效率的兩項措施。他決心自己製造一臺新的蒸汽機，來改進舊機器的不足。
瓦特自籌資金，租了間地下室，買了必要的設備，反覆實驗，經歷了無數次挫折和失敗，在工人的幫助下，終於發明了與汽缸分離的冷凝器，解決了製造精密汽缸、活塞的工藝問題，同時採用油潤滑活塞，汽缸外附加絕熱層等措施，製成單動作蒸汽機。後經繼續試驗，瓦特又在1782年發明了具有連杆、飛輪和離心調速器的雙動作蒸汽機，製成了新的可實用的蒸汽機。這種雙動作式蒸汽機，把閥門安裝成可利用蒸汽的壓力來推動活塞，既可向前又可向後，並藉助連杆和飛輪把活塞的直線運動變成了圓周運動。為了保持蒸汽機的勻速運轉，他把一個離心調速器連接在進氣活門上，使其自動調節進氣量。這種裝置是最早在技術上使用的自動控制器。他設計了一個和汽缸分離的冷凝器，將高溫蒸汽從汽缸中導出並冷卻，使得主要汽缸能保持一定溫度。同時他提高了汽缸的精密度，把活塞和閥門也做得光滑、嚴密。從而比紐科門蒸汽機大大提高了熱效率和可靠性。由於這種蒸汽機把往復的直線運動變成為連續而均勻的圓周運動，因而可以經過傳動裝置帶動一切機器運轉，成為能普遍用於工業和交通運輸業的「萬能動力機」。這種高效率的蒸汽機很快取代了舊式的蒸汽機，被各工業部門迅速採用。從此，動力機、傳動機和工作機組成了機器生產系統，成為產業近代化的核心。
到19世紀30年代，蒸汽機廣泛應用到紡織、冶金、採煤、交通等部門去，很快引起了一場技術革命。美國人富爾頓發明了用瓦特蒸汽機作動力的輪船。英國人史蒂芬遜發明了用瓦特蒸汽機作動力的火車。瓦特的蒸汽機成為真正的國際性發明，它有力地促進了歐洲18世紀的產業革命，推動世界工業進入了「蒸汽時代」。
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