有限时间热力学是经典热力学理论的延伸和推广,是现代热力学理论的一个新领域。主要研究有限时间条件下热机的性能优化,在有效利用能源和发展高新技术等方面具有很大的应用潜力。在热机性能优化方法中,权衡判据方法通过对所构造的品质函数的分析,不仅给出了热机在满足最大效率和最小能量损失平衡条件下的工作区域,而且提供了优化热机性能的统一理论框架,在宏观热机和微观热器件的性能优化过程中均得到了广泛应用。在第一章中,首先介绍了经典热力学的主要成果:热力学概念、热力学四个定律以及对热力学第二定律与卡诺热机的联系。然后介绍了有限时间热力学的内容和研究进展。关于有限时间热力学理论框架下热机性能的优化,本文主要开展了以下研究工作:1.实际热机运行过程中不可避免地会发生热传导过程。本文在低耗散卡诺模型的基础上,提出了含普遍性热转移过程的低耗散热机。给出了通用的传热规律下热机的功率和效率表达式,并且对低散热机性能也通过权衡优化方法进行优化,从而提供了一个统一的框架来理解具有一般热传递过程的热机行为。此外,详细讨论了具有不同传热过程的热机的功率以及效率特征,发现热机的功率以及无热转移过程的效率均不依赖于热漏项,而与接触时间、热耗散以及相应的卡诺效率有关。热机的输出功率随着卡诺效率呈现出单调递增的趋势,但较大的接触时间比和耗散比均不利于热机在较大范围内的功率输出。2.我们深入研究了低耗散热机模型并且将耗散项推广至二阶情形,进而提出了非线性耗散热机模型。根据热机的特性参数和量纲分析,给出了非线性耗散热机(制冷机)的输出(输入)功率和效率(制冷系数)的无量纲公式。基于权衡判据标准,深入讨论了非线性耗散型热机的性能,阐释了权衡优化下非线性耗散型热机的系统特性。最后,第四章给出了全文的总结与展望。本文的研究结果对于设计和优化实际的热机和制冷机具有一定的理论意义。