量子热力学是量子力学与经典热力学交叉融合产生的新兴学科分支。对于这个新兴领域,量子热机是量子热力学中主要的研究内容之一。量子热机主要以量子系统作为工作物质,而量子系统通过相互作用可以产生丰富的非经典效应,例如:量子相干性、量子失协等。许多研究表明,工作物质的非经典效应对提高量子热机特性具有重要作用。本文运用量子热力学与量子光学基本理论研究工作物质为自旋系统的量子奥托热机的热力学特性,研究结果具有重要的学术意义与参考价值,论文的主要内容与创新性结果如下:第一章首先简单介绍量子热力学研究的历史沿革,然后介绍量子热机的国内外研究现状,最后概括了本文的主要工作。第二章首先回顾了用量子力学形式来表述经典热力学第一定律,介绍与量子热力学有关的基本概念,如量子等温过程、量子等容过程、量子绝热过程和有效温度;其次,阐述了热力学第二定律的有效性和普适性;最后阐述了量子奥托热机循环的基本理论,并与经典奥托循环理论进行对比,并证明了量子奥托热机与经典奥拓热机的等价性。第三章简要回顾了量子自旋系统的基本理论以及量子系统的两种非经典效应——量子相干性和量子失协的基本概念以及度量方法。第四章研究了工作物质的非经典效应对量子奥托热机特性的影响。首先研究了工作物质相干性的影响,所研究的工作物质分别是两比特和三比特海森堡XXX模型。研究结果显示:（1）无外加磁场时两种量子奥托热机产生正功和效率的相干性区域是Cl1<Cl2(Cl1和Cl2分别表示第一个和第二个等容过程的末态达到热平衡时,系统的量子相干性),固定相干性Cl1时效率随着相干性Cl2单调递减,固定相干性Cl2时效率随着相干性Cl1单调递增;（2）存在外加磁场时,两种量子奥托热机产生正功和效率的相干性区域扩大为Cl1<Cl2和Cl1>Cl2;（3）无论是否存在外加磁场,两种奥托热机的效率都不能达到卡诺热机的效率;（4）三比特海森堡XXX模型工作物质热机比两比特工作物质热机能提取更多的正功。然后研究了第二个等容过程的量子失协与第一个等容过程的量子失协之差对量子奥托热机的影响。结果显示:量子失协差有助于量子热机提取更多的正功,量子失协差为零时,热机不能正常运行显示出工作物质量子失协是量子热机运行的重要资源。第五章研究了在非均匀外磁场下,由具有Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用自旋（1/2,1）两粒子的海森堡XXX模型作为工作物质的量子奥托热机的特性,讨论了DM相互作用对热力学量的影响。结果显示:在耦合强度较小时形成的正功和效率锐减区,DM相互作用抑制正功的提取和效率的提高;在耦合强度较大时形成的正功和效率的恢复区,DM相互作用有利于正功的提取和效率的提高;在耦合强度很大时形成的正功和效率的稳定区,DM相互作用不利于提取更多的正功,但有利于提高效率;随着DM相互作用的增加,自旋-1/2粒子局部功的值总是小于零,说明自旋-1/2粒子是一个冰箱;自旋-1粒子局部功的值总是大于零,说明自旋-1粒子是一个热机。第六章对全文进行总结和展望。