近些年来,实验技术的飞速进步和量子信息科学的高速发展使人们开始从微观世界研究物理热现象,量子热力学成为了现代热力学的一个热点问题。量子热力学主要在量子动力学范围内研究热力学过程,并致力于探究热力学基本定律和物质的量子性质之间的密切关系。量子热机包括量子卡诺热机,量子奥托热机,量子布莱顿热机等多种不同构型,它们与实验上利用激光传输、量子点接触等手段研究微纳米尺度下的能量转换规律关系密切,为探索热力学规律微观层面的本质提供了有效的途径,大大促进了量子热力学理论的建立和完善。量子热机主要以量子气体和量子体系为工质并对外做功的热力学循环模型,由于工作物质的量子性,相对于经典热机而言,量子热力学循环有许多独特的性质。本文主要在各种热力学循环模型的基础上,重点分析量子热力学循环体系中特有的量子等能量过程对不同热力学循环的影响。其主要研究内容如下:(1)简单介绍经典热力学和量子热力学的基本内容与研究现状。(2)重点介绍量子热力学循环所特有的量子等能量过程,建立了一个以一维无限深势阱中的量子粒子为工质并与一个热源和一个能量源耦合接触的二能级量子热机模型,分析此热机效率与相应的量子卡诺效率的关系。通过考虑整个热力学循环的进展时间,得到了此热机循环体系的输出功率,并发现系统的效率和输出功率都取决于体系中的量子等温过程中初始状态和末状态的能级几率分布。因此,确定了量子等温过程的量子态之后可以对热力学循环体系的性能进行优化,并最终得出了保证系统最佳工作状态的效率下限。(3)建立了一个以一维谐振势内的量子粒子为工质的包含量子等温过程、量子等能量过程和量子绝热过程的量子热力学循环体系。重点分析了谐振势中量子等温过程和量子等能量过程的不同,并发现了此热机循环模型特有的效率:一维谐振势存在一个最优化的体积膨胀比率,可以使系统的效率达到最大值,这完全不同于经典热机的结论。而且当热源的温度越低的时候,这种反常的现象越明显,这一结果说明量子效应用一种特殊的方式影响着热力学体系的性能。(4)介绍量子纠缠的相关知识,并研究了一个以一维无限深势阱中的量子纠缠体系为工质的包含两个量子等能量过程和两个量子绝热过程的量子卡诺循环。推导出此热力学循环系统的工作效率,并发现纠缠子系统的质量对系统的工作效率有重要的影响。(5)最后是总结全文并展望了未来的研究方向。