почему невозможно построить тепловой двигатель без холодильника?

Тепловой двигатель - это циклически действующая машина. Её цикл состоит из повторяющихся процессов сжатия и расширения газа. Работа внешнил сил по сжатию газа должна быть меньше, чем работа газа при расширении. А это возможно, если перед сжатием газ охладить.