我觉得前面很多回答都没有戳到题主问题的关键点
首先回答问题后面部分，尝试利用这部分能量也不是没有人做过，这部分内容我放在最后吧。
题主的问题前部分更偏理论多一点，可能没那么有趣，我尽力吧。关于热力学，好久没看过了，如果有什么说错的地方，请毫不留情地指出吧。当然不想看太多理论的东西，只看加粗部分就行了。
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要回答这个问题，我觉得需要回到内燃机的基础——热力学。
（哎哎，大家都别散开啊！那个啥！
”如果看了这篇文章你还不知道热力学三大定律，那就过来掐死我吧“）
题主的问题，用热力学的语言表述就是：
“内燃机废气中的热能能否转换成功”
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热力学第一定律就是大家所熟知的能量守恒定律，这个不展开了。
从能量守恒的角度看，既然能量可以相互转换并且守恒，这样的转换似乎是行得通的。
开尔文表述：不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。
克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响。
热力学第二定律其实描述的是热力学过程的不可逆性，指出了第一定律所没有指出的能量转换的方向性。
如果我们要引入某个参数来描述这种过程不可逆性的话，那就是“熵（entropy)”啦。
（小彩蛋：能否尽量通俗地解释什么叫做熵？，当然这只是不严谨的玩笑性质，更严谨的回答可以参考这个问题里回答）
不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。因此热力学第二定律又称“熵增定律”，表明了在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。
我们来沿着本题有关的方向去看，热力学第二定律指出的是：
不同形式的能量的品质是不同的，表现为转换为功的能力的不同，能量有品质的高低。
如此，能量可以分为三类：
1.高级能量：理论上能完全转换为功的能量，比如电能，机械能，水能，风能；
2.低级能量：能部分转换为功的能量，比如热量和热量形式传递的能量。
3.环境能量：理论上不能转化为功的能量，比如环境（海洋，大气）。
热力学中用“?（exergy)”这个参数来评价能量的品质，理论上能够转换为机械能的那部分能量称为?，不能转换的那部分则称为火无(anergy，“火”和“无”组成的字，输入法打不出来(>_<!) )。
那么我们就得到了能量守恒的另一种表达：
能量=?+火无
说到这，我觉得大家应该能理解了，内燃机的废气能量中的?值比较小。
也就是说，废气尽管温度很高，但其能量其实是低级能量，可转化成功的能力是很有限的，利用起来需要费很大的劲，具体我觉得 @大王喵的回答讲得很好。
汽车毕竟是一个商品，肯定会考量投入与收益，从目前技术来看，前面大家的回答也提到这一点，利用这部分能量所需的投入和收益相比肯定是差距很大的。
哦，差点忘了说热力学第三定律：热力学绝对零度(-273.15℃）不可达到。这个不多说了。
（三大定律讲完了，大家就不要来掐死我了吧！嗯，其实还有个第零定律。）
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尽管从理论上我们知道利用这部分的能量比较困难，
但是还是有研究在汽车上怎么利用这一部分能量的。
研究的热点是利用这部分废热来制冷或发电。好了，电能是可以完全转换为功的。
正如前面所指出的那样，这部分能量品位低，所以这部分回收的效率很低，
这些技术量产车辆上实际应用并不多见。
我对这两个都不太了解，就根据手头上一些资料简单讲讲吧，希望有更专业的大神来指正和补充。
温差发电原理不多说了，随便搜索都能搜到。
并不是汽车厂商对于废气能量的利用方面无作为，其实目前有很多厂商都有对TEG技术感兴趣并开始研究利用。目前受制于材料方面的原因，成本很高，当然即使解决了材料方面的问题之外，其实还要考虑很多问题。
我们来个例子好了：
这是某厂商的3.0L 6V 发动机上的例子，该厂商称理想状态下，可以回收0.5kW的能量，可是你知道这个车的发动机的功率是多大吗，大约在176kW左右。
要让这样一个东西实现到量产车上，需要考虑什么东西么？
下面有一个简单列了这些东西的表格。
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