随着电子计算机使用的基本元件晶体管逐步接近原子级别的物理极限，体积缩小和散热问题都带来了前所未有的挑战，但人类的追求永远没有止境，研究散热问题及如何提升计算机的速度，科学家们追寻的脚步一直在路上。量子计算机为什么是未来计算机发展的方向？为什么说量子计算机是可逆计算的计算机？

物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷具有电能、原子核内部的运动具有原子能等等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应。能量可以相互转换但总量守恒，总能量中“无法利用的能量”总是逐步增加。

热力学循环是一系列传递热量并做功的热力学过程组成的集合，通过压强、温度等状态变量的变化，最终使热力学系统回到初始状态。状态量只依赖于热力学状态，沿热力学循环路径对此类物理量的路径积分结果为零；而像热量和功这样的过程量与循环过程有关，路径积分不为零。热力学第一定律指出在一个循环中输入的净热量总等于输出的净功。过程可重复的特性使得系统能够被连续操作，从而热力学循环是热力学中一个很重要的概念。在实际应用中，热力学循环经常被看作是一个准静态过程并被当作实际热机和热泵的工作模型。

理论上一个热力学循环由三个或多个热力学过程组成（通常为四个），这些过程可以为：

• 等温过程（温度恒定，即使伴随有吸热或放热过程）
• 等压过程（压强恒定）
• 等容过程（体积恒定）
• 绝热过程（系统与外界无热交换）
• 等熵过程（可逆绝热过程） （系统与外界无热交换，同时熵保持恒定）
• 等焓过程（焓保持恒定）

热传递：当体系和环境之间或体系内部存在温度差，则体系偏离了热平衡，产生热能的传递。

流动：当体系存在不平衡的力时，产生了力学的不平衡，体系的一部分便会发生移动，产生物质的传递。

扩散：当溶液或气体体系中存在浓度差时，体系偏离了物质平衡，由此产生物质的传递。

两种主要的热力学循环类型是热机循环和热泵循环。热机循环将输入的部分热量转化为输出的机械功，而热泵循环通过输入的机械功将热量从低温传向高温。完全由准静态过程组成的循环能够通过控制过程的流向来作为热机或热泵循环使用。

热机循环是热机工作的基本原理，这种循环方式为当前世界上大部分的发电站提供能量来源，也为几乎所有的机动车提供动力。热机循环按照它们所采用的热机模型可进一步分类，内燃机中最常见的热机循环是奥托循环（常称做四冲程循环），柴油机中最常见的是迪塞尔循环。外燃机中使用的循环方式还包括采用燃气轮机方式工作的布雷顿循环，以及采用汽轮机方式工作的兰金循环。

1.1 正循环系统

高温热源吸热，对外界做功，同时向低温热源放出热量。

1.2 逆循环系统

外界对系统做功，将待冷却物体作为低温热源，反向进行循环，低温热源反向向高温热源放出热量，可现致冷循环。

各种形式的能量虽然能够互相转换，但机械能可以无条件地全部转换成热（即使得气体的内能增加），热能却不能无条件地全部转换为机械能。如果要求系统返回到原来的状态，热能只能部分地转换成机械能。此外，根据我们的日常经验，热只能自发地从高温物体传递到低温物体，如果想要将热从低温物体到高温物体，必须要消耗其它的某种动力，外界需要对系统做功，这是制冷机的工作原理。

在十九世纪初，法国科学家N. L. Sadi Carnot（1796-1832）仔细研究了将热转换为机械能的过程。他的目的是确定怎么提升热机效率，但是他的研究指引他调查热力学基础本身。

作为他研究的附属品，卡诺在1824年发明了一种理想热机，也就是我们现在说的“卡诺热机 ”。卡诺热机的重要性不如实际热机那般，但是它却能很好地帮助我们理解通常的热机。