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關於最初的紐科門式發動機，蒸汽閥和注水閥據說都是人工操作的，但它們不久便通過高架橫樑上的一根被稱為塞桿的裝置而機械地進行工作了。
正像在前面提到過的那樣，對紐科門式發動機的主要反對意見是它的燃料消耗量特大。瓦特讀過關於這一問題的權威性論述，其中指出，汽缸經噴注水冷卻以後，要不斷被重新加熱，在此期間，以蒸汽形式產生並使用的部分熱量便被浪費掉了。例如，德薩古列斯就堅決反對以鐵製汽缸來取代最初時期發動機上所用的黃銅汽缸。他振振有詞地爭辯說：薄壁的黃銅汽缸比起傳熱慢而又笨重的鐵汽缸來傳熱和散熱要迅速得多，因此，採用鐵汽缸是倒退了一步，這就使發動機的效率降低了。
儘管如此，鐵製汽缸還是成功了。
由於技術上的原因，用鐵鑄造的汽缸要比用黃銅鑄造的汽缸大得多，這就使得製造那些能從較深處抽水的並具有大功率的發動機成為可能。對於那些煤礦主來說，只要這些發動機能有更大的功率，把水從礦井中排除乾淨，效率的高低卻是無關緊要的。然而，這台小發動機的模型的運轉特性卻故意與一絲不苟的瓦特作對。
瓦特發現這台發動機模型耗費的蒸汽如此之多，以至超出了那只使之運轉的小鍋爐的能力，而一次只能完成幾個衝程而已。他決心要找出造成這種狀況的原因，而他解決這個問題的方式與前人相比，則要根本得多，科學得多。在此之前，德薩古列斯並沒有對如此過度耗費蒸汽這一問題給瓦特提供過完整的答案，但他意識到在做深入研究之前，他必須從已知的常數中確定某些測量的基礎。在大氣壓力下，一定數量的水能產生多少數量的蒸汽？
而要蒸發這樣數量的水又需要多少熱量？
並且在產生了這樣數量的蒸汽之後，又需要多少冷水才能使蒸汽冷凝還原為水？
在提出這些問題並尋求其答案的過程中，瓦特探索的思路同約瑟夫·布萊克是一樣的，儘管他沒有意識到這一點。
瓦特的第一次試驗是用一把水壺，從壺嘴上接一根管子，通進一個帶刻度的並盛有冷水的燒瓶裡。然後，他把水壺裡的水燒開，直到燒瓶裡的水的溫度達到沸點，此時就再也沒有一點蒸汽會冷凝了。他注意到燒瓶裡的水的數量已增加了
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6，這便是蒸汽冷凝下來的水。由此他做出了正確的推算：如果要把水變成蒸汽，那麼在水達到沸點時，它就能比原來它本身的體積增加
6倍。
然後，他又把這一結果轉換成溫度的形式，他的辦法是把
1克水從零攝氏度提高到
100攝氏度所需要的熱量，作為
100個熱量單位。試驗開始的時候，燒瓶裡冷水的溫度是
11攝氏度，因此要把這
1克水的溫度提高到沸點，就需要
89個熱量單位。然而，這項試驗卻表明：從水壺裡出來的蒸汽，能夠將與其等量水的溫度提高到沸點，並使其體積增加
6倍，其結果是所耗費的熱量單位為
534個。瓦特無法對這一現象做出解釋。
接下去所發生的情況，最好用他自己的話來加以說明：由於對這一異乎尋常的事實感到十分驚疑和不理解其原因，我便向我的朋友布萊克博士提起此事，他於是對我解釋了他的潛熱理論，這一理論他在此以前就已講授過一些時候了；但是由於我自己一直在忙於謀求生意，因此，當我無意中發現了一個用絶妙的理論加以證實的無可辯駁的事實時，即使是我以前對它就有所聞，我也是不會去重視它的。
正如布萊克對瓦特解釋的那樣，當水沸騰並轉變成蒸汽的過程中，儘管溫度不再進一步升高，但卻繼續吸收熱量。當蒸汽冷凝時，這部分熱量就會被釋放出來，正是這一結果，曾使瓦特感到迷惑不解。實際上，他們倆得出的結論是相同的，只是通過的途徑不同而已。瓦特所取得的
534個熱量單位這一數字
註：當今蒸汽潛熱的精確數字為537個熱量單位，正是布萊克所說的蒸汽的潛熱。
布萊克對於他的結論能被別人用這種實際的方法加以證實，自然感到喜悅，因此，他以極大的興趣關注着瓦特試驗的進展，並且給了他很多幫助和指點。羅比森回到大學後，他也同樣滿腔熱忱地鼓勵瓦特進行試驗。
一旦瓦特掌握了關於潛熱的理論，紐科門式發動機效率低的癥結也就迎刃而解了，並且這對他後來的所有試驗工作都起着指導的作用。他終於知道了在汽缸交替加熱和冷卻的過程中，損失掉的熱量到底有多少；通過試驗還發現，對進汽和注水做再多的調整，都無法彌補這一基本缺陷。他曾利用了幾個星期的時間，為此絞盡腦汁，也沒有能夠解決這一矛盾，即從效率考慮，應該儘可能地保持汽缸的熱度，而為了造成真空，似乎又必須使汽缸冷卻。
他對於擺脫這一進退兩難困境的途徑的發現，正是他最著名的一項創舉。瓦特在晚年曾對格拉斯哥的一位工程師羅伯特·哈特確切地講述了這一發現的由來。
瓦特想到解決的辦法，是在偶然的機會裡，他是在一個星期天下午散步時產生的靈感。
那是一個美麗的四處漫溢草香的
1765年
5月。和風徐來，吹動格拉斯哥草地上的低矮叢林。這是一塊河邊的廣闊草地，羊群在這兒啃食青草。洗衣婦們都在這兒曬床單。
工作之餘，大家也都來這兒沿著河岸散步，並且享受新鮮的空氣。由於蘇格蘭嚴格規定星期天不准工作，於是瓦特會穿上他星期天的最佳行頭，離開他的工作台，和其他人一樣，來到河邊草地呼吸新鮮空氣。
他這時已經成家了。這天下午，他的太太待在家裡。瓦特一個人出門。
