随着时代发展和进步,人类对于资源的渴望也是越来越加重,但是随之而来的环境污染,资源枯竭也越来越让生活在这个时代的人们感到了一丝紧迫,如何将能源利用与环境保护结合到一起成为了科学家们亟待攻克的一个难题。如今的物理学研究早已经从过去的宏观世界深入到了微观世界,自从“量子热机”这一概念被提出后,科学家们利用量子热力学所构造的量子热机已经成为了物理学界研究的一个新的重要热点。本文将利用量子热力学的有关知识,对量子热机中的以一维无限深势阱中Dirac粒子为工作物质的量子Brayton热机进行分析和研究。本文将分为三个部分,其中前两章为本文的第一部分,第三章为第二部分,第四章为第三部分。在本文的第一章中,我们将会介绍量子力学的发现、发展和未来的展望;并且回顾热力学的相关知识,对量子热机和经典热机进行简单的对比,介绍其中的联系和区别。在本文的第二章中,我们将会对本文用到的一些量子力学和热力学的一些基础知识、概念、定理加以介绍和说明,包括热力学第一定律的量子化表述,量子热力学中的量子等压过程、量子等容过程、量子绝热过程、量子等温过程等。在本文的第三章中,我们会对Brayton循环和Brayton热机进行简单的介绍,将经典Brayton热机同量子Brayton热机,经典Brayton循环和量子Brayton循环进行一些对比,介绍这两种循环的联系和区别。并利用此来说明量子力学和热力学之间的紧密联系。在本文的第四章,也是本文第三部分中,我们将会对以一维无限深势阱中无质量(massless)Dirac粒子为工作物质的量子Brayton热机进行介绍和研究,依据Dirac粒子在极端相对论条件下的能谱,对量子Brayton热机循环的每个过程进行分析和研究,从而推导出量子Brayton热机的一些重要性能参量,例如内能、输出功率、效率等。并且利用公式推导和图像的方法对热机进行优化,找到热机的最佳工作区域等。通过对本文的研究和分析,我们可以了解Brayton热机循环的一些基本情况,明白量子Brayton热机循环在我们的实际应用方面具有很高的价值。并且通过本文的计算和推导我们可以找到如何最大程度的提高量子Brayton热机的效率。