在莊園的日子里，他并沒有完全休息。他總結自己35年的科學研究工作，寫了不少著作。他還花了不少時間研究哲學和神學，而且寫出一些有影響的哲學和宗教論文。

晚年時期的波義耳宗教思想日益濃厚。為研究圣經，他曾學習過希伯來語；為宗教的發展，他還資助在東方的傳教活動。

1691年12月30日，64歲的波義耳在倫敦逝世，死后他留下了一大筆財產。根據本人遺囑，這筆巨款用于舉辦以傳播宗教為內容的“波義耳講座”。但是，他死后留給人們的真正財富不是金錢，而是用他一生的努力所形成的豐富的科學成就。是他提出了科學的元素概念，才宣告了“煉金時代”的結束，開辟了化學作為一門獨立科學的新紀元。

瓦特奠基工業文明

據說，瓦特是由于發現水在沸騰時頂起了壺蓋，受到了啟發，想到要利用蒸汽作動力而發明蒸汽機。其實這是一個不很確實的說法。在瓦特之前，就有很多人研究過利用蒸汽作動力的機械，并且已經有了抽水用的蒸汽機。瓦特最卓越的貢獻是他發明了蒸汽機的外冷凝器，大大提高了蒸汽機的效率，同時還發明了把蒸汽機的往復運動變為回轉運動的機構，使蒸汽機成為普遍應用的動力機。正是這種動力機，為人類開辟了一個嶄新的時代，即蒸汽動力時代。瓦特因此而被稱之為工業文明的開拓者和奠基人。

儀器修理工1736年，瓦特出生于英國當時的造船業中心格拉斯哥市附近的格林諾克鎮。父親是一個有經驗的造船木工，祖父和叔父也都是機械工人。瓦特從小體弱多病，而且由于家境貧苦，少年時代的瓦特，不能按期上學，沒有受到系統的學校教育。由于身體不太好，行動十分穩重的小瓦特，曾一度被認為是一個“愚鈍而不聰明的人”。瓦特的母親是一位智力過人的聰明女人，他成為瓦特的啟蒙老師。瓦特跟這樣一位天才的母親學習文學和有關知識。13歲時，瓦特開始學習數學，15歲時，又學習了《物理學原理》，這時的瓦特已開始顯露出自己的天才。

瓦特的少年時代，基本上是在父親所在的工場里度過的，并和手工勞動結下了不解之緣，這無疑決定了他以后的發展方向。瓦特跟隨父親勞動的車間，主要是制造船舶所需的裝備，制作船舶等所需的各種小型木工器具，或進行船頭裝飾的雕刻，制作跑架、滑車、泵、轆轤等。對瓦特來說，這里是一個最好的學校。在勞動中，他不僅用手，而且注意開動腦筋，留心各種各樣的事情，如扛料時為什么左肩上用條木棒托住后部便省力些？為什么拉鋸時用力要均勻、姿勢要擺正？等等。在這所特殊的學校里，少年瓦特不但學會了操縱機械或使用器具，學到了作為一名精密機械工所應掌握的各種技能，而且獲得了豐富的關于機械的感性知識，培養了愛好機械的興趣。

1753年，瓦特的母親去世，父親又經商失敗，迫使瓦特決意要自己外出謀生。1754年6月，18歲的瓦特在父親的指導下，帶著少量的工具和一個皮制圍裙前往格拉斯哥，投奔到母親的一位親戚那里當學徒，學習修理教學儀器。由于業務上的聯系，使他結識了格拉斯哥大學的羅伯特·迪科教授。迪科很欣賞這位技藝嫻熟、又勤學好問、肯于鉆研的年輕人，并極力勸說他前往倫敦。作為當時歐洲經濟文化的中心，倫敦聚集了一大批優秀的器械制造工匠，迪科希望瓦特到這個大都市進一步學習深造，施展才華。

1755年6月7日，瓦特騎馬來到倫敦。但為了找師傅，卻頗費了一番周折，最后好不容易才投奔到約翰·莫根門下，學習儀表修造技藝。由于勤奮好學，他很快學會了制造難度較高的象限儀、方位羅盤、經緯儀等精密器械。瓦特在給父親的信中說：“我雖然沒有熟練工人做得那樣快，但是，我可以做得和他們一樣好?！庇捎诩彝ナ杖氲臀?，他不得不時常擠出時間，到外面找點苦而重的活來干，以便掙些錢交納學徒費。這樣，除星期六外，他每天幾乎都要工作到深夜九點多鐘。瓦特的身體本來就不好，加上如此繁重的勞動和艱苦的生活，因而健康狀況更是每況愈下。他曾在信中寫道：“經常像撕破咽喉一樣的咳嗽，背像針刺一樣疼痛，全身感到懶倦?！币荒旰?，他帶著衰弱的身體重返故鄉。一年的學徒生活使他倍嘗辛酸，但是也使他練就了精湛的手藝，培養了堅韌不拔的性格。

故鄉海濱的清新空氣，與家人團聚的愉快心情，使瓦特很快恢復了健康。1756年，20歲的瓦特再一次來到格拉斯哥，想以修理儀器的身份開業，但當地的行會因他學徒期未滿（當時規定學徒必須七年才能“滿師”），不準許他開業。正當他感到絕望之是，迪科再一次幫助了他。在迪科教授的推薦下，瓦特于1757年來到格拉斯哥大學附設的教學儀器廠當儀器修理工。這成為他生活的轉折點，并由于一個偶然的機會，使他走上了改進蒸汽機的征途。

冷凝器的發明

1763年的一天，格拉斯哥大學的一位教授約翰·安德遜找到瓦特，委托他修理一臺紐可門蒸汽機的模型。好奇心很強的瓦特早就對用蒸汽作動力的機械發生了興趣。他曾聽到他的一些朋友，如格拉斯哥大學副教授布萊克等人談起過紐可門蒸汽機的事。他也曾搜集過有關蒸汽動力的資料，還曾作過高壓蒸汽的實驗，但就是一直沒有機會接觸過蒸汽機。安得遜教授的委托無疑為他了解蒸汽機提供了一個難得的機會。但此時的瓦特也許未曾料到，這次機會不但改變了他自己一生的命運，而且由于他對蒸汽機的改進，改變了整個社會生產的面貌，促進了工業革命的迅速到來。

瓦特在接受了修理紐可門蒸汽機的任務之后，沒有滿足于僅僅把有毛病的地方修好，而是把機器全部拆開，一個零件一個零件地研究，以便弄清它的構造原理，然后針對問題，再進行修理。瓦特憑借多年當修理工的經驗，很快便把機器修好了。但當試車時，瓦特發現這種機器動作緩慢，且不是連續的。進一步試驗便發現了一個更大的問題，這種蒸汽機消耗能量太大，效率很低，燃燒13噸煤，只能產生75馬力的動力。面對修好的紐可門蒸汽機，瓦特陷入了沉思：能不能對它加以改進，使其動作再快一些，效率再提高一些呢？正是在修理和試驗的過程中，瓦特樹立了要從根本上改進蒸汽機的志向，并持之以恒地開始了對蒸汽機的研究。

大概連小學生都知道，蒸汽機是由瓦特發明的。這話既對又不完全對。說它對，是因為瓦特確實發明了一種和以前完全不同的蒸汽機，使蒸汽動力獲得了普遍的應用；說它不完全對，那是因為在瓦特之前就有人發明了蒸汽機。將蒸汽作為動力的想法，古人就有。二千多年前古希臘人希羅就曾發明了以蒸汽為動力的精巧裝置；達·芬奇也曾設計過用蒸汽開動大炮的圖樣。在當時的中學課本上就已開始講授真空、大氣壓等物理知識，這些也都與蒸汽機的發明有關。自1643年托里拆利發現了真空，證實了大氣壓力的存在，后來，德國的格里凱又用人工辦法法制造了真空。1662年，波義耳則發現了氣體體積和壓力成反比的定律。正是在這些科學認識的基礎上，適應社會發展對動力的需要，在18世紀才發明了蒸汽機。

到18世紀的時候，人們為什么想要發明蒸汽機呢？這是因為從17世紀以來煤炭已經成為冶煉鋼鐵的主要燃料，對煤炭的需要日益增加，礦山數量增加，礦井也越挖越深。為了能正常地進行采煤，就必須不斷地抽出礦井里的水。當時只能靠馬拉轆轤推動水泵抽水。為此，不少礦山都要飼養幾百匹馬，這種辦法既麻煩又費錢。人們急需尋找一種更有效的排水動力機械，由此產生了“以火提水”的設想，就是要創造一種以火力或熱能推動的排水泵。

第一臺實用的蒸汽泵是由英國的一個叫薩弗里的上尉于1698年首先發明的。他繼承了前人的發明成果，利用蒸汽冷凝使一個容器產生真空，在大氣壓力作用下，將井下水吸入容器中，再通入蒸汽，利用蒸汽壓力把容器里的水排出。這樣循環操作就可以把井水抽到井外。但由于它效率低，加之沒有活塞，容易發生爆炸事故，所以沒有引起人們的重視。1705年，蘇格蘭鐵匠紐可門發明了一種比較實用的帶活塞的蒸汽機。它先向汽缸通入蒸汽，推動活塞向上運動，然后再向汽缸通入冷水，使蒸汽冷凝，缸內形成真空，這樣便可以利用大氣壓力使活塞反向運動，以此帶動水泵排水。紐可門蒸汽機基本上滿足了礦山抽水的需要，幾乎在英國所有的礦井都應用了這種蒸汽機，實際上它只不過是一臺蒸汽排水機。

瓦特所要修理的正是這樣的蒸汽機。他也就是在這樣的基礎上開始了對蒸汽機的研究。經過對紐可門機的分析研究，聯系到他在聽他的老朋友布萊克講課時，所了解到的關于潛熱和比熱的知識，受到啟發，終于找到了紐可門機的癥結所在：紐可門蒸汽機利用向汽缸噴冷水獲得真空，這樣活塞每上下運動一次，汽缸都要冷卻一回；第二次進入的蒸汽首先要加熱汽缸，待汽缸本身的溫度升高后，才能推動活塞。這樣一方面因蒸汽浪費造成了效率低，另一方面則因時間耽擱造成動作慢且不連續。由此，他得出結論：為了使蒸汽有效地推動活塞，首先必須設法使汽缸保持與進入的蒸汽相同的溫度，其次必須使進入的蒸汽盡快冷凝，以獲得缸內負壓或真空。通過上述分析，使瓦特明確了改進的方向。采用什么辦法達到這兩項要求呢？他針對這一問題開始了新的研究，并經常利用瓶子、竹筒等工具進行試驗，遇到不懂的問題就四處向人請教，簡直達到了廢寢忘食的程度，一度使一些人誤認他的神經失常了。轉眼將近兩年的時間過去，對于如何改進，瓦特仍是感到一籌莫展。

1765年5月的一個星期日，瓦特正因試驗沒有取得任何進展而灰心喪氣的時候，新婚不久的妻子馬格麗特·米拉——一位溫柔而有主見的女性，見他日夜苦思，食不甘味，夜不成眠，就勸他不要把自己搞得太緊張了，利用假日到郊外玩一玩，散散心。于是，瓦特接受了妻子的建議，信步來到了城外的草原上。他抬頭向遠處的天空望去，見片片白云在湛藍的天空下飄動。這白云多像蒸汽??！一想到蒸汽，瓦特的腦子又進入了工作狀態。隨著腳步不自覺地繼續前移，瓦特的腦海里突然躍出了一個想法：蒸汽本身是有彈性的物體，當蒸汽膨脹后，一定會往真空的地方移動。如果在汽缸外另設置一個容器，蒸汽就可以進入這個容器內進行冷卻，這樣，無需再冷卻汽缸，蒸汽就可以冷縮，而汽缸也就可以保持在高溫狀態了。

猶如藝術家獲得靈感一樣，這一想法使瓦特興奮不已。他帶領幾個助手按這一想法開始進行試驗，經過夜以繼日的努力，好不容易造出了一臺帶有分離冷凝器的蒸汽機。不料，這臺蒸汽機幾乎不能工作，效果反而不如紐可門蒸汽機，原因即在于汽缸和活塞間的密封不好，四處漏汽。

由于試驗的耗費，使瓦特的經濟狀況倍感艱辛，無力繼續試驗。從天性上說，瓦特本是個性格憂郁的人，而且對痛苦和不安有些神經質，一碰上不順利的事就會表現出心灰意冷的情緒。每遇到這種情況，妻子米拉總是溫柔地鼓勵他，為此，瓦特十分感激她，把她當成自己的主心骨。這次又是在妻子的鼓勵下，瓦特又重振精神，在別人的資助下，繼續試驗。可是接著的數次試驗，也都因材料和工藝問題未很好解決而失敗了。恰在這時，伯明翰一位有遠見的實業家馬瑟·博爾頓看到了蒸汽機的潛在用途，主動請瓦特到他的工廠里去進行發明試驗，并給以經濟上的資助。在這里，瓦特又用了三年多的時間反復試驗，并在有經驗的制造槍膛的工人幫助下，制造出了較精密的汽缸和活塞，終于在1769年制成了裝有冷凝器的新型蒸汽機，在試轉中獲得了預期的效果。冷凝器的發明是瓦特對蒸汽機改進的第一大貢獻。

普通應用動力機的發明瓦特的蒸汽機與紐可門蒸汽機相比，耗煤量減少了3/4，效率卻提高了6倍，其他各項性能均得到明顯改善。但由于它仍是一部“單向式”的蒸汽機（即只在活塞一端進汽，靠大氣壓力實現反向運動），所以它只能滿足礦山排水的需求，還無法作為一般動力機在工業各部門普遍應用。

此時的英國，正處于技術大變革的前夜，一場人類歷史上空前的工業革命正在這里拉開序幕。這場革命的開端是由紡織機的改進開始的。一批工匠出身的杰出發明家如凱依、哈格里沃斯、阿克萊特等人，相繼發明了飛梭、珍妮紡紗機、水力織布機等等，使英國紡織業的勞動生產率提高了幾十倍甚至上百倍。但是，就它們的動力來看，還主要是人力和水力，由于受生理極限、地理、季節等因素的限制，使動力問題成為制約勞動生產率進一步提高的“瓶頸”。

這樣一種社會環境促使許多人開始注意能否用蒸汽機為紡織業提供動力的問題。這當然也是瓦特完成了對蒸汽機的初步改進之后所關心的首要問題。事實上，瓦特在改進了單向式蒸汽機后并沒有停步，他又全身心地投入了新的研究試驗當中。經過十多年的努力，1782年瓦特終于發明了具有偉大歷史意義的“雙向式”蒸汽機。這種蒸汽機通過一個滑動閥的控制，在活塞的兩端輪流進汽、排汽，推動活塞作連續而均勻的往復運動。瓦特在1784年4月為“雙向式”蒸汽機填寫的說明書中，不再把它的蒸汽機看作是為特殊目的所進行的發明，而是把它看作是大工業可以普遍應用的動力機。

為了實現蒸汽機在工業上的普遍應用，還必須把活塞的往復直線運動轉變為旋轉運動。因此，瓦特同時又發明了曲柄連桿機構。這樣，活塞的往復運動，通過曲柄連桿就轉化成了主軸上的旋轉運動。“雙向式”蒸汽機和曲柄連桿機械的結合，使蒸汽機成為名副其實的“萬能發動機”，即可普遍適用于工業生產。這兩項發明成為瓦特對蒸汽機的第二大貢獻。