量子热力学研究量子系统的热力学性质,探索微观量子特性与宏观热力学规律的联系。随着理论的深入和对原子、离子、超导等量子系统操控技术的发展,量子热力学的理论和实验研究得到了越来越多的关注。本文基于囚禁离子系统讨论了激光冷却过程中的熵交换和量子热机循环的物理实现。关于激光冷却囚禁单离子过程中的熵交换的计算。我们首先计算了自发辐射光场中单个光子的熵增,基于此讨论了囚禁离子多普勒冷却过程中的熵交换。然后构建了受激冷却循环,依照冯诺伊曼熵的定义计算了不同形式激光冷却过程中原子与环境之间的熵交换。我们发现,自发辐射不是原子与环境进行熵交换的唯一途径,激光场具有足够的熵容量承接原子系统的熵减,且在激光冷却原子过程中热力学第二、第三定律仍然有效。关于量子热机的研究,我们介绍了囚禁离子系统中量子热机循环的各个过程,并计算了不同条件下的热机效率和功率。以此为基础,将热库拓展为非经典压缩热库,讨论了热库量子性质的引入对热机性能的影响。我们发现,量子性质的引入会很大程度上影响热机的性能,相同量子特性的不同引入方式可能会带来不同的效果。进一步地,我们提出了在平行结构刀片阱中构建超低温量子热机循环的实验方案。