纽科门式发动机体现着早在他之前便已经确立的两个科学原理的实际应用，其一是大气具有重压作用，从而使空气对除了已将它排除的空间外就无孔不入。早期的自然科学家们曾把这种结果，用一言以蔽之即“大自然憎恶真空存在”。但是，他们在制造真空来证明这一点上却遇到重重困难。德国萨克森的奥托·冯·格里克（1602—1686年）和爱尔兰人罗伯特·博伊尔（1627—1691年）俩人都曾用设计气泵的方法，把密封容器内的空气抽干净，从而获得这方面的成功。然而，法国人丹尼斯·帕平（1647—1714年）用来造成真空的方法却迥然不同。他的方法表明，如果在一个密封容器内充满了蒸汽，那么空气就会被排出，而当这个密封容器冷却后，里面就会产生真空，因为蒸汽凝聚成水后所占的地方，只是密封容器全部容积中很小的一部分。这就是纽科门应用在他发动机上的第二个原理。
纽科门使用了一个在顶部开口的竖式汽缸中工作的活塞，他把这个汽缸直接安装在锅炉之上。蒸汽压力只要略大于大气的压力，蒸汽就可随意流入活塞下被封闭的汽缸底部。这个活塞通过铁链，与一个扇形齿轮连接，并把这个扇形齿轮装在一根木杆的一端，而横梁的中心则装有一个枢轴。在横梁的另一端，可用同样的方法连接着泵杆。由于泵杆的重压（在某些情况下还要平衡，借助于一种平衡砣来调整），把活塞拉向汽缸的顶部，与此同时进汽阀就被打开，使蒸汽冲入汽缸。随着活塞到达冲程的顶端，进汽阀便被关闭，注水阀即告打开。这就使冷水从安装在高处的水箱里喷进汽缸，水箱之所以安装在高处是为了提供一个良好的水位差。在那张着名的格拉斯哥模型图纸上，可以清楚地看到这个注水箱。喷射冷水的目的是使汽缸里的蒸汽冷凝，因而造成真空。于是，大气压就作用于活塞上面，把它压下来，从而提起泵杆，把水从矿里抽出。这样一道工作程序就完成了。汽缸里的蒸汽冷凝后的水和注入的水，以及随着蒸汽带进汽缸的空气，则通过排水阀和排气阀排放干净，否则就会积聚起来，用当时流行的一个形象的说法，就是这台发动机就要“动弹不了”。关于最初的纽科门式发动机，蒸汽阀和注水阀据说都是人工操作的，但它们不久便通过高架横梁上的一根被称为塞杆的装置而机械地进行工作了。
正像在前面提到过的那样，对纽科门式发动机的主要反对意见是它的燃料消耗量特大。瓦特读过关于这一问题的权威性论述，其中指出，汽缸经喷注水冷却以后，要不断被重新加热，在此期间，以蒸汽形式产生并使用的部分热量便被浪费掉了。例如，德萨古列斯就坚决反对以铁制汽缸来取代最初时期发动机上所用的黄铜汽缸。他振振有词地争辩说：薄壁的黄铜汽缸比起传热慢而又笨重的铁汽缸来传热和散热要迅速得多，因此，采用铁汽缸是倒退了一步，这就使发动机的效率降低了。尽管如此，铁制汽缸还是成功了。
由于技术上的原因，用铁铸造的汽缸要比用黄铜铸造的汽缸大得多，这就使得制造那些能从较深处抽水的并具有大功率的发动机成为可能。对于那些煤矿主来说，只要这些发动机能有更大的功率，把水从矿井中排除干净，效率的高低却是无关紧要的。然而，这台小发动机的模型的运转特性却故意与一丝不苟的瓦特作对。
瓦特发现这台发动机模型耗费的蒸汽如此之多，以至超出了那只使之运转的小锅炉的能力，而一次只能完成几个冲程而已。他决心要找出造成这种状况的原因，而他解决这个问题的方式与前人相比，则要根本得多，科学得多。在此之前，德萨古列斯并没有对如此过度耗费蒸汽这一问题给瓦特提供过完整的答案，但他意识到在做深入研究之前，他必须从已知的常数中确定某些测量的基础。在大气压力下，一定数量的水能产生多少数量的蒸汽？而要蒸发这样数量的水又需要多少热量？并且在产生了这样数量的蒸汽之后，又需要多少冷水才能使蒸汽冷凝还原为水？在提出这些问题并寻求其答案的过程中，瓦特探索的思路同约瑟夫·布莱克是一样的，尽管他没有意识到这一点。
瓦特的第一次试验是用一把水壶，从壶嘴上接一根管子，通进一个带刻度的并盛有冷水的烧瓶里。然后，他把水壶里的水烧开，直到烧瓶里的水的温度达到沸点，此时就再也没有一点蒸汽会冷凝了。他注意到烧瓶里的水的数量已增加了1/6，这便是蒸汽冷凝下来的水。由此他做出了正确的推算：
如果要把水变成蒸汽，那么在水达到沸点时，它就能比原来它本身的体积增加6倍。然后，他又把这一结果转换成温度的形式，他的办法是把1克水从零摄氏度提高到100摄氏度所需要的热量，作为100个热量单位。试验开始的时候，烧瓶里冷水的温度是11摄氏度，因此要把这1克水的温度提高到沸点，就需要89个热量单位。然而，这项试验却表明：从水壶里出来的蒸汽，能够将与其等量水的温度提高到沸点，并使其体积增加6倍，其结果是所耗费的热量单位为534个。瓦特无法对这一现象做出解释。接下去所发生的情况，最好用他自己的话来加以说明：
“由于对这一异乎寻常的事实感到十分惊疑和不理解其原因，我便向我的朋友布莱克博士提起此事，他于是对我解释了他的潜热理论，这一理论他在此以前就已讲授过一段时间了；但是由于我自己一直在忙于谋求生意，因此，当我无意中发现了一个用绝妙的理论加以证实的无可辩驳的事实时，即使是我以前对它就有所闻，我也是不会去重视它的。”
正如布莱克对瓦特解释的那样，当水沸腾并转变成蒸汽的过程中，尽管温度不再进一步升高，但却继续吸收热量。当蒸汽冷凝时，这部分热量就会被释放出来，正是这一结果，曾使瓦特感到迷惑不解。实际上，他们俩得出的结论是相同的，只是通过的途径不同而已。瓦特所取得的534个热量单位这一数字（注：当今蒸汽潜热的精确数字为537个热量单位），正是布莱克所说的蒸汽的潜热。布莱克对于他的结论能被别人用这种实际的方法加以证实，自然感到喜悦，因此，他以极大的兴趣关注着瓦特试验的进展，并且给了他很多帮助和指点。罗比森回到大学后，他也同样满腔热忱地鼓励瓦特进行试验。
一旦瓦特掌握了关于潜热的理论，纽科门式发动机效率低的症结也就迎刃而解了，并且这对他后来的所有试验工作都起着指导的作用。他终于知道了在汽缸交替加热和冷却的过程中，损失掉的热量到底有多少；通过试验还发现，对进汽和注水做再多的调整，都无法弥补这一基本缺陷。他曾利用了几个星期的时间，为此绞尽脑汁，也没有能够解决这一矛盾，即从效率考虑，应该尽可能地保持汽缸的热度，而为了造成真空，似乎又必须使汽缸冷却。
他对于摆脱这一进退两难困境的途径的发现，正是他最着名的一项创举。瓦特在晚年曾对格拉斯哥的一位工程师罗伯特·哈特确切地讲述了这一发现的由来。
瓦特想到解决的办法，是在偶然的机会里，他是在一个星期天下午散步时产生的灵感。
那是一个美丽的四处漫溢草香的1765年5月。和风徐徐，吹动格拉斯哥草地上的低矮丛林。这是一块河边的广阔草地，羊群在这儿啃食青草。洗衣妇们都在这儿晒床单。工作之余，大家也都来这儿沿着河岸散步，并且享受新鲜的空气。由于苏格兰严格规定星期天不准工作，于是瓦特会穿上他星期天的最佳行头，离开他的工作台，和其他人一样，来到河边草地呼吸新鲜空气。
他这时已经成家了。这天下午，他的太太待在家里。瓦特一个人出门。
他一面深思，一面经过洗衣妇以及牧羊人住的屋子。
突然之间，他想到了这个谜底的答案。
瓦特说：“那是在格拉斯哥的格林公园里发生的事情。在一个晴朗的安息日下午，我出去散步。我走过那家老洗衣房，然后又通过夏洛特街尽头的大门，进入了这个公园。当时，我正思考着那台发动机的问题。当走到赫德剧场时，有一个想法浮现在我的脑海里：由于蒸汽是一种具有弹性的物体，因此，凡是有真空的地方，它就无孔不入；如果在汽缸和排气室之间有一条通道的话，那么蒸汽就会涌进这个排汽室里，并且可能在那里冷凝而不需要冷却汽缸。然后我又领会到，如果我使用一个像纽科门式的发动机上的那种喷嘴，我就准能解决冷凝蒸汽和注水的问题。为了做到这一点，我想到了两条途径，其一，如果能制成一条向下延伸三十五六英尺长的排水管，那么水就可以从这条管道流走，而所有的空气则可由一个小气泵抽出；其二，制造一个大到足以把水和空气一起抽走的泵。当我还未走过高尔夫球场的时候，对这件事情的整个安排便已经胸有成竹了。”
瓦特的这一重大构思就这样形成了，他急得手指发痒，跃跃欲试，想先搞出模型来，可是出于对苏格兰安息日的考虑，他不能马上就到他那个靠近牛肉市场尽头的一个小院中的小作坊里去。这个小作坊就是他当时（1765年5月）进行试验工作的地方。但是，就在第二天，他便开始动手制造了一个装置，尽管这个装置设计简单、制作粗糙，但却能够使他对他的新理论进行检验。现在同瓦特的其他的一些模型一起保存在科学博物馆里的这个装置，被认为是分离式冷凝器原理的第一次历史性的应用。按照传统的做法，这台装置归科学博物馆所有是理所当然的。它是由伯明翰的詹姆斯·瓦特公司于1876年赠给科学博物馆的。由于这正是我们所期望的，因此看来也就没有理由去怀疑它的真实性了。这个装置是由三个直立排列的圆筒状主要部件组成的。首先是一个装有保温套的封闭式蒸汽汽缸，另外还配有一个活塞和一个活塞杆，这个活塞杆的下端通过一个填料函伸出来，头上带有一个挂钩，用来提升供试验的重物。这个汽缸的旁边是冷凝器部件和气泵筒，这两个部件在其底部，由一个作为冷凝器一部分的长方形水箱把它们连接在一起。虽然，这台小模型肯定在某个时候损坏过，并且修理时所用的方法也未能使它运转，但瓦特用来证实自己理论的方法，却似乎是显而易见的。
他首先是往冷凝器里倒冷水。只要临时去掉气泵缸上的活塞，就能够做到这一点。然后，他使蒸汽通过一条管子以及与汽缸顶部相连接的管子注入汽缸，里面要排除的空气便从冷凝器顶上一个简单的单向阀泄出。当蒸汽开始从这个阀门喷出时，就表明汽缸里已经充满了蒸汽。于是关闭蒸汽开关，气泵活塞便升起，在冷凝器里造成部分真空。这就使得蒸汽从汽缸进入了冷凝器，并在这里通过冷却，水得到冷凝，这样就在活塞上部的汽缸里造成了真空。由于在蒸汽缸套里处于大气压下的蒸汽是与活塞下面的汽缸相通的，所以必然会把活塞推向汽缸顶部。当蒸汽再次进入汽缸顶部时，活塞两面的压力便均衡了，结果，加在活塞杆上的重压就会使活塞再次返回底部。于是，这种循环就又开始了。
显然，这个小模型用这种方式只能运转几个冲程而已，因为冷凝器里的水很快就会变得太热，从而无法使蒸汽有效地冷凝下来。不过这运转几个冲程，就足以向这位欢欣鼓舞的发明家证明：他的设想是行得通的；他使两种看来互相对立的条件一致起来，即既要保持汽缸的恒热，又要在汽缸里造成有效的真空。
瓦特在证实了自己的观点之后，他的当务之急便是设计和制造一个高效率的冷凝器。蒸汽冷凝器有两种：一种是喷射型的，另一种是表面型的。纽科门运用的是喷射原理，他采取喷洒冷却水的办法，使发动机的汽缸里的蒸汽冷凝。表面型冷凝器原理，是给进入的蒸汽提供最大的冷却面积。它除了冷凝的是蒸汽而不是冷却水之外，其他的功能和设计都与汽车上的散热器类似。其实，安装在19世纪晚些时候制造的那些蒸汽型汽车上的冷凝器，与传统的散热器没有什么区别。正如人们将会看到的，后来，瓦特采用了喷射式冷凝器，然而，他最初试验的却是表面型冷凝器，它是用马口铁皮焊成一些小桶，在小桶上安装着小圆管和狭长形的槽，冷水可以通过它们而循环流动。
罗比森后来讲述了发生在这一时期的一件小事。这件小事非常清楚地说明了瓦特复杂性格中的两个侧面：一个侧面是他会偶尔出现一种强烈的自信情绪，这同他常有的意志消沉和自我怀疑的情绪形成了鲜明的对照；另一个侧面是他那种秘而不宣的性格，使他有时甚至对自己最好的朋友都信不过。
有一次，罗比森没打招呼就闯进了瓦特家的起居室，发现这位发明家正坐在火炉旁，他的膝盖上放着“一个小小的马口铁箱”。罗比森后来才明白，这就是表面冷凝器。毫无疑问，瓦特当时正在用火炉里烧着的烙铁焊接它。罗比森立刻便开始兴致勃勃地同他谈起这个他们俩都极为关注的问题，而且还向瓦特问起试验的进展如何。瓦特却闭口不答，默默地坐在那里凝视着炉火。
过了很长时间，当罗比森继续追问他的时候，他才终于冷冷地瞅着他并粗暴地开口说道：“老兄，你就用不着再操这份心了。我现在已经制成了一台一点蒸汽都不会浪费的发动机了。它将全部沸腾发热，咳，要是我高兴的话，还可以注进热水。”说完之后，他就把那个小小的马口铁箱放在地板上，用脚把它轻轻地踢到桌子底下，不让人看见，事情就这样结束了。直到后来，罗比森才间接地听说，他这个朋友发明的是一个分离式冷凝器。
瓦特吹嘘得太早了，他虽然已经取得了重大的发现，但是他所提到的那台发动机，只不过是一个并不完美而且粗糙的玩具而已，它仅适于说明一个理论罢了。要将这个玩具变成一台大功率的、实用的机器，还需要很多年的时间。瓦特在这些充满了困难、沮丧和挫折的岁月里再不能“单干下去了”，而需要从他的朋友那里得到一切帮助和鼓励。
成功之路
寻求资本支持
从设想到现实之间，有条漫长而艰险的道路。对瓦特来说，在经过了一系列的科学实验之后，如今到了把他的蒸汽机推向市场的时候了。所以，他的当务之急，是寻求一位既有商业头脑，又有经济实力的合作者，来作为他的后盾。
已故的H.W.迪金森博士曾经大胆地猜测说，假如瓦特早意识到在他的发明被实际应用之前，就不得不解决那么多令人望而生畏的技术问题，那么他极可能在一开始就会放弃这项发明，鉴于他很容易变得意志消沉而失去信心，这是完全可能的事。